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ADVERTIMENT. Lʼaccés als continguts dʼaquesta tesi queda condicionat a lʼacceptació de les condicions dʼús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://cat.creativecommons.org/?page_id=184 ADVERTENCIA. El acceso a los contenidos de esta tesis queda condicionado a la aceptación de las condiciones de uso establecidas por la siguiente licencia Creative Commons: http://es.creativecommons.org/blog/licencias/ WARNING. The access to the contents of this doctoral thesis it is limited to the acceptance of the use conditions set by the following Creative Commons license: https://creativecommons.org/licenses/?lang=en
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ADVERTENCIA. El acceso a los contenidos de esta tesis queda condicionado a la aceptación de las condiciones de usoestablecidas por la siguiente licencia Creative Commons: http://es.creativecommons.org/blog/licencias/
WARNING. The access to the contents of this doctoral thesis it is limited to the acceptance of the use conditions setby the following Creative Commons license: https://creativecommons.org/licenses/?lang=en
Universidad Autónoma de Barcelona
Facultad de Ciencias de la Educación
Departamento de Didáctica de las Matemática y las Ciencias Experimentales
Doctorado en Didáctica de las Matemáticas y las Ciencias
TESIS DOCTORAL:
“Conocimiento Didáctico Del Contenido De Profesores Mexicanos Sobre El Tema Equilibrio Químico
Presentada por:
GLINDA IRAZOQUE PALAZUELOS
DIRECTORA:
Dra. Mercè Izquierdo Aymerich
Bellaterra, Barcelona, España
noviembre de 2015
ÍNDICE
DEDICATORIAS
AGRADECIMIENTOS
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Presentación
1.2 Justificación
1.3 Antecedentes
2. PROBLEMA Y OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
2.1 Problema de investigación
2.2 Preguntas de investigación
2.3 Objetivos generales del proyecto
3. MARCO TEÓRICO
3.1 El papel central del equilibrio químico en la enseñanza de la química
3.2 Evolución histórica del concepto
3.2.1 El equilibrio químico en el marco de la cinética
3.2.2 El equilibrio químico en el marco de la termodinámica
3.3 El estudio del equilibrio químico en México
3.3.1 Su ubicación en los currículos mexicanos.
3.3.1.1 En el Bachillerato universitario.
3.3.1.2 En las licenciaturas de la Facultad de Química de la UNAM
3.4 Concepciones alternativas y dificultades de aprendizaje reportadas sobre el tema.
3.5 El Conocimiento Didáctico del Contenido (CDC) y cómo registrarlo
3.5.1 Los CORE’s
3.5.2 Las ideas centrales
3.5.3 Las entrevistas
3.6 Los grupos de profesores bajo estudio
4. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN Y RESULTADOS
4.1 Metodología descriptiva de la investigación.
4.2 Captura de los CORE’s
4.2.1 Profesores de bachillerato
4.2.2 Profesores de licenciatura
4.3 Las entrevistas
4.3.1 Profesores de bachillerato
4.3.2 Profesores de licenciatura
5. RESULTADOS OBTENIDOS
5.1 Los CoRe’s de los maestros de bachillerato
5.2 Los CoRe’s de los maestros de licenciatura
5.3 Coincidencias y desencuentros
6. ANÁLISIS DE LOS DATOS Y CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFÍA y ANEXOS
DEDICATORIA
A Ninel, Irina y Andrea por enseñarme a vivir
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer a la Fundación Carolina y a la Secretaría de Relaciones
Exteriores de México por la beca que me otorgaron para realizar los estudios de
doctorado en la Universidad Autónoma de Barcelona.
A Mercè Izquierdo quien, con su invitación, revivió un sueño guardado por años.
Dirigió con generosidad este trabajo y me apoyó sin límites hasta el final del
camino.
A Andoni Garritz por su ejemplo cotidiano, sus grandes ideas y ánimo constante.
Siempre estarás presente.
A mi amigo Vicente Talanquer, quién toma la batuta a la muerte de Andoni y se
involucra en esta empresa con gran cariño, solidaridad y el gran profesionalismo
que lo caracteriza.
A Francisco por su complicidad, por haber reído conmigo hasta las lágrimas y
ayudarme con las gráficas en atlas Ti y su interpretación.
A mis queridas amigas Teresa Salamanca y Conchita Ortega por su cariñosa
bienvenida a Barcelona y su apoyo constante.
Un agradecimiento muy especial a los ocho profesores que colaboraron en este
estudio.
Glinda Irazoque Palazuelos
1. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
1.1 PRESENTACIÓN
En esta tesis se capturó y analizó el Conocimiento Didáctico del Contenido, CDC
(PCK, por sus siglas en inglés) de ocho profesores mexicanos que imparten el
tema de Equilibrio Químico en la Universidad Nacional Autónoma de México
(UNAM). Cuatro de ellos son maestros de bachillerato de la Escuela Nacional
Preparatoria (ENP); uno de los dos subsistemas del bachillerato de la UNAM. Los
otros cuatro son profesores de licenciatura en la Facultad de Química de la UNAM
e imparten la materia de Equilibrio y Cinética, cuyo programa de estudios incluye
el tema de Equilibrio Químico.
En este primer capítulo, se hace una descripción general de las partes que
conforman la tesis, y se incluyen los argumentos que justifican la elección del tema
y los antecedentes del estudio.
En el capítulo dos se presentan el problema y las preguntas de investigación y los
objetivos generales del proyecto.
El marco teórico que se desarrolla en el capítulo tres, presenta los fundamentos
del trabajo, relacionados con las directrices de esta investigación; la importancia
de la enseñanza del equilibrio químico, la evolución histórica del concepto donde
se desarrollan dos esquemas de enseñanza: en el marco de la termodinámica y
en el marco de la cinética, ya que consideramos que la enseñanza del concepto
en estas perspectivas es diferente y la problemática que genera su didáctica
depende del marco de referencia en el que se estudie.
El capítulo continúa con las características del estudio del Equilibrio Químico en
México, particularmente en la Facultad de Química de la UNAM y en el
bachillerato universitario. Finalmente se hace un resumen y análisis de los
diferentes estudios sobre las concepciones alternativas que los estudiantes de
bachillerato y licenciatura presentan sobre el tema. En la parte final, se desarrolla
el tema del Conocimiento Didáctico del Contenido, parte medular de la
investigación y se perfila y caracteriza el grupo de profesores seleccionados para
el estudio.
El capítulo cuatro está dedicado a describir la metodología seguida para capturar
el CDC de los docentes en el tema de equilibrio químico y a continuación se
presentan los instrumentos que se diseñaron para ello y los resultados obtenidos.
En el capítulo cinco se presenta el análisis de los datos obtenidos para ambos
grupos de profesores y se hace una reflexión sobre las coincidencias y
desencuentros que se observan entre ambos grupos de docentes y sus
propuestas de enseñanza.
En el capítulo seis se presentan las conclusiones obtenidas y una serie de
recomendaciones didácticas que se desprenden como resultado del estudio.
Finalmente se encuentra la bibliografía consultada y los anexos.
1.2 ANTECEDENTES
Los antecedentes de esta investigación son dos en particular. En 2008 fui
directora de la tesis de maestría de una maestra de la Escuela Nacional
Preparatoria (Huerta, 2008) que quería realizar una investigación sobre el tema de
Equilibrio Químico, ya que le parecía uno de los más difíciles de aprender para sus
alumnos.
La investigación correspondiente tuvo como objetivos seguir un modelo de
docencia transformadora en el que el alumno aprendiera a construir el concepto
de equilibrio químico, mediante una propuesta de enseñanza que propiciara y
fomentara su interés y creatividad hacia el aprendizaje del concepto y que, de esta
manera, le permitiera desarrollar habilidades de pensamiento científico, además
de la adquisición de actitudes y valores hacia la ciencia.
Para lograr lo anterior, la investigación se enfocó en el diseño de una secuencia
de enseñanza aprendizaje (SEA) sobre el tema de equilibrio químico. El trabajo de
investigación correspondiente incluyó una revisión científica y didáctica de los
contenidos, cuyo propósito fue hacer una planeación de la enseñanza, con
estrategias contextualizadas y que considerara las capacidades cognitivas de los
estudiantes, buscando siempre un aprendizaje significativo dentro de un marco
constructivista.
El diseño de la SEA tenía entre sus objetivos, propiciar un cambio y convertirse en
una alternativa para la enseñanza tradicional del concepto, ya que se tomaron en
consideración las necesidades educativas de los estudiantes, procurando la
construcción, aplicación e integración conceptual, procedimental y actitudinal,
mediante estrategias adecuadas para el nivel medio superior.
La SEA se probó en dos grupos de tercero de bachillerato, durante 8 sesiones de
100 minutos cada una. Uno de los grupos se eligió como grupo control y se le
impartió el tema de la manera tradicional y al otro, el grupo experimental se le
impartió el tema con la SEA diseñada. A ambos grupos se les aplicó un
cuestionario diagnóstico y otro de cierre.
El análisis estadístico de los resultados mostró que: los alumnos relacionan el
concepto de reversibilidad con la constancia de concentraciones, respecto a la
igualdad de velocidades, un alto porcentaje de alumnos aceptaron la
simultaneidad de las reacciones, directa e inversa, las cuales se desarrollan a la
misma velocidad. Lo que no comprendieron es que en esta clase de procesos las
concentraciones se mantienen, no se igualan. En las preguntas referentes a la
constancia de concentraciones, se manifestó la idea de igualdad; mientras que
más del 90% del grupo experimental comprendió que en el equilibrio las
concentraciones se mantienen constantes, en el grupo control, este valor fue muy
variable. Respecto a la habilidad para interpretar el aspecto dinámico del equilibrio
químico, el grupo control tuvo resultados muy variables en contraste con el
porcentaje alto y constante que presentó el grupo experimental a este respecto.
Esta investigación nos brindó información muy valiosa para el tema que se trabajó
posteriormente como parte de la investigación final del Máster en Didáctica de las
Matemáticas y las Ciencias Experimentales que se presentó en septiembre de
2009 (Irazoque, 2009). Esta segunda secuencia de enseñanza aprendizaje se
centró en los conceptos antecedentes a la enseñanza del Equilibrio Químico,
reversibilidad y equilibrio dinámico, los resultados están por publicarse en un libro
de secuencias de enseñanza aprendizaje editado por el Seminario de
Investigación Educativa en Química, de la Facultad de Química de la UNAM.
1.3 JUSTIFICACIÓN
El equilibrio químico es uno de los conceptos centrales en la enseñanza de la
química. Gran parte de los currículos de educación media superior en el mundo
contemplan su estudio y lo introducen en los últimos años de este nivel educativo.
En México, particularmente en la Escuela Nacional Preparatoria y en la Facultad
de Química de la UNAM, está considerado en los programas de estudio de las
asignaturas del sexto grado de bachillerato y en tres de las asignaturas de tronco
común de la Facultad.
La investigación educativa menciona que a diferencia de otros temas del currículo,
una parte importante de las concepciones alternativas relativas al equilibrio
químico se generan durante la instrucción y se heredan de otros conceptos como
el de reacción química. Muchas de las dificultades que se presentan durante el
proceso enseñanza-aprendizaje de este tema, se deben a la gran exigencia
conceptual y cognitiva que representa su estudio para los estudiantes de
bachillerato, lo que nos lleva a pensar si resulta o no pertinente seguir
enseñándolo en el nivel medio superior. En México no se encuentran reportados
estudios al respecto.
Sin embargo, el conocimiento de este concepto es de fundamental importancia en
el aprendizaje de la Química, ya que permite la enseñanza, sistematización,
articulación y profundización de otros conceptos científicos.
Por otro lado, si bien existen muchas investigaciones sobre las concepciones
alternativas que presentan los alumnos de bachillerato y licenciatura sobre este
concepto, no hay suficiente material didáctico ni investigaciones educativas sobre
el Conocimiento Didáctico del Contenido (CDC) de los docentes que lo enseñan.
Por lo anterior, consideramos necesario el realizar un estudio para capturar el
CDC de los docentes mexicanos que imparten el tema de Equilibrio Químico en el
bachillerato y las licenciatura del área de la química y la salud.
2. PROBLEMA Y OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
2.1 Problema de investigación
La naturaleza multidimensional y compleja de los estudios en investigación
educativa en ciencias requiere determinar el alcance del estudio que se pretende
llevar adelante, tanto desde el punto de vista de la metodología de la investigación
como desde la perspectiva de la enseñanza y el aprendizaje.
Existen numerosas investigaciones en didáctica de las ciencias (Moncaleano y
colaboradores, 2003) que muestran lo poco eficaces que han sido las estrategias
tradicionales de enseñanza del equilibrio químico para promover su aprendizaje
significativo, por lo que se hace necesaria la búsqueda de nuevas propuestas
didácticas enmarcadas en una visión actual de la educación científica, es decir,
partir de preguntas que surjan del entorno del estudiante y tomen en consideración
sus conocimientos conceptuales y procedimentales, para avanzar rumbo a la
construcción de modelos científicos con base en la interpretación del fenómeno en
el mundo nanoscópico.
Izquierdo y Aliberas (2004) plantean que uno de los retos de este tercer milenio es
lograr que la educación química sea razonable y racional, para que genere opinión
y contribuya al desarrollo humano de todas las personas, desde primaria hasta
universidad. La enseñanza del concepto de equilibrio químico, hasta ahora, no ha
sido razonable ni racional; los problemas que se les pide resolver a los alumnos no
les son significativos y muchas veces ni siquiera los entienden porque no los
identifican en su entorno y como, se presenta tradicionalmente en forma paralela
al principio de Le Chatelier, el resultado es que los alumnos memorizan el principio
y lo aplican como regla nemotécnica (Huerta, P., 2008).
La enseñanza del equilibrio químico, al igual que otros contenidos de las clases de
ciencias, sólo tendrá sentido si le brinda al alumno las herramientas necesarias
para entender los hechos paradigmáticos del mundo y a través de ellos, éste logra
construir los modelos teóricos que utiliza la ciencia (Izquierdo, 2005).
La construcción de conocimientos por los estudiantes, en el marco de una
determinada propuesta, se da en una “situación” en la que se articulan los
objetivos de aprendizaje, las tramas de contenidos a enseñar que se han
elaborado, la información que se consigue acerca de las concepciones de los
alumnos, las actividades que se proponen y la forma de evaluar que se programe.
Todo ello configura la situación de aprendizaje compleja y multidimensional que se
ha de analizar a la hora de decidir su relación con el aprendizaje.
Si bien el aprendizaje en ciencias implica adquisición de conceptos,
procedimientos y actitudes de una manera integrada, el presente estudio apunta a
poner de relieve lo que ocurre con el aprendizaje conceptual, pero a partir del
conocimiento didáctico del contenido de los profesores que imparten este
concepto en el aula.
Las nuevas estrategias que actualmente se recomiendan emplear en el aula, con
el propósito de que el estudiante participe activamente en el aprendizaje de los
conceptos científicos, han dado lugar a que se requiera que el profesor sea un
mediador, un guía, un orientador, para que sus estudiantes adquieran en forma
significativa el conocimiento.
Feuerstein y otros (1980) expresan que todo sujeto tiene la capacidad de modificar
sus procesos de aprendizaje cognitivo, lo cual se consigue a través de la
interacción activa entre el individuo y las fuentes internas y externas de
estimulación. Destacaron el concepto de mediador, cuya labor consiste en implicar
al sujeto en su experiencia de aprendizaje; favorecer que el sujeto aprenda a
aprender; fomentar la curiosidad intelectual, la originalidad y la creatividad; permitir
que el sujeto se auto-perciba activo, capaz de generar y procesar información;
efectuar un seguimiento más individualizado, enriquecido por el diálogo con el
grupo; promover la interacción entre el sujeto y el medio ambiente.
El profesor debe organizar y estructurar los contenidos programáticos; seleccionar
los temas a tratar en clase, para que el alumno pueda generar y procesar
información que finalmente lo conduzca al aprendizaje, al introducirlo en gran
variedad de estrategias y procesos que le permitan experimentar sus habilidades
cognitivas, es decir, desarrollar más su capacidad de aprender. Pero involucrar al
sujeto en su experiencia de aprendizaje no resulta simple, pues implica el
desarrollo de la cognición, es decir, del conocimiento adquirido por la inteligencia y
sus procesos mentales como son la atención, la memorización, la percepción, la
generalización, etc., procesos que ayudan al sujeto a enfrentarse con su medio.
El papel que ocupa el profesor en la adquisición y construcción del conocimiento
en sus alumnos, alcanza importancia relevante pues se enfrenta al obstáculo que
representan los múltiples problemas conceptuales, procedimentales y actitudinales
que poseen los alumnos sobre el tema al ingresar al aula. Es importante recordar
que los profesores representan una de las principales variables en el proceso
enseñanza- aprendizaje de conceptos científicos, principalmente junto con los
alumnos, los libros de texto, los laboratorios, los planes y programas de estudio y,
actualmente, la radio y televisión (Mellado y otros, 2006) y las nuevas tecnologías.
El desempeño docente dentro del aula es uno de los factores trascendentales en
el logro académico de los estudiantes. La docencia se ha profesionalizado cada
vez más y las transformaciones sociales y las características de los estudiantes
exigen mayor preparación y conocimiento técnico pedagógico, para incidir de
manera significativa en su formación y aprendizaje escolar.
Los profesores tenemos ideas, comportamientos y actitudes sobre la enseñanza y
el aprendizaje de las ciencias, que pueden obstaculizar una actividad docente
innovadora (Vázquez y otros, 2009 y 2010); colectivamente podemos reflexionar y
analizar las concepciones y prácticas asumidas acríticamente y construir
propuestas coincidentes con la investigación e innovación didáctica actual;
requerimos de la autocrítica para reconocer la insuficiencia, en general, de nuestra
formación profesional y de nuestra enseñanza habitual.
Usualmente el profesor únicamente se refiere al conocimiento de la materia, pero
no incluye:
a. El conocer los problemas y contextos que dieron lugar a la construcción de
conocimientos científicos y, en particular, los obstáculos epistemológicos
que se opusieron a dichos progresos.
b. Conocer las estrategias metodológicas empleadas en estas construcciones
científicas.
c. Adquirir conocimientos teóricos sobre la enseñanza y el aprendizaje de las
ciencias.
d. La preparación de actividades de aprendizaje. e) La dirección de la
actividad de sus alumnos.
e. Conocer las interacciones existentes entre ciencia, técnica y sociedad
asociadas a los conocimientos científicos.
f. Conocer desarrollos científicos recientes para adquirir una visión dinámica,
no acabada, de la ciencia.
g. Saber seleccionar contenidos adecuados que den una visión correcta de la
ciencia y sean accesibles e interesantes para los estudiantes. i) Evaluar el
proceso de enseñanza/aprendizaje y su implicación en tareas de innovación
e investigación (Gil, 1991).
Con respecto a la formación del profesorado de ciencias, se presenta el desafío de
determinar qué conocimientos y creencias del profesor están relacionadas con su
práctica y actitudes, cuán fuertes son estas relaciones y cuáles son las causas de
las mismas. Al igual que los alumnos, los profesores de ciencias tenemos
concepciones alternativas y actitudes respecto de la ciencia y la enseñanza que
pueden favorecer o no la adquisición de nuevos conocimientos didácticos, por lo
cual tanto los profesores en formación como en activo, a partir del análisis de esas
concepciones deben ampliar sus recursos y modificar sus perspectivas, para
orientar su propia formación como un cambio conceptual, metodológico y
actitudinal, aplicado a la enseñanza.
La investigación sobre las concepciones y la práctica de los profesores es uno de
los principales temas de la agenda de investigación en didáctica de las ciencias
(Tobin y otros, 1994; Tobin, 1998; Freitas y otros, 2004; Mellado y otros, 2006,
Vázquez y otros, 2007). Sin embargo, en el caso del tema de Equilibrio Químico
hay poca información sobre cuáles son las concepciones alternativas de los
docentes que imparten el tema, tanto en bachillerato como en licenciatura. Porlán
y Martín del Pozo (1996) expresan la importancia de conocer las concepciones
científicas del profesorado, por diversas razones, entre las que se encuentran:
tienen cierta relación con el modelo de enseñanza que se lleva a cabo y con lo
que se entiende por enseñar, guardan cierta coherencia con las concepciones que
se refieren a cómo aprenden ciencias los alumnos, muchos profesores participan
de los mitos científicos dominantes en nuestra sociedad (el mito del progreso
científico, de lo científico como absoluto y de los expertos como seres infalibles),
forman parte de un sistema más amplio de creencias en torno al conocimiento en
general, a su naturaleza, génesis y evolución y a los procesos a través de los
cuales se construye y facilita en contextos institucionales y, por último y no menos
importante, influyen en las concepciones científicas del alumnado y contribuyen a
formar y/o reforzar la imagen de la ciencia del público en general.
Cuando en este trabajo se plantea que se pretende estudiar la relación existente
entre el aprendizaje de los alumnos y una forma determinada de enseñar, en este
caso, Equilibrio Químico, se hace con el convencimiento de que las variaciones en
el aprendizaje que se producen cuando se realizan cambios en la enseñanza, no
puede considerarse simplemente una relación causa–efecto (Fenstermacher,
1989). Si se concibe al que aprende como responsable último del hecho de
aprender y se tiene en cuenta, desde esta perspectiva de análisis, que la
intencionalidad del comportamiento humano es uno de los rasgos distintivos de la
investigación educativa, ello requiere adoptar una perspectiva de investigación
cualitativa que tenga en cuenta esta situación y analice integradamente lo que
ocurre con el aprendizaje, en la situación real en que se desarrolla la
investigación.
En este sentido dos de las primeras preguntas que guiaron esta investigación son:
¿Qué necesita conocer y saber hacer un profesor para impartir el tema de
equilibro químico, de tal forma, que este aprendizaje sea lo suficientemente
significativo para que los alumnos lo usen en la construcción de explicaciones
argumentadas científicamente de los fenómenos que observan a su alrededor?
¿Por qué un profesor que tiene una buena comprensión del concepto equilibrio
químico, e incluso ha sido formado para enseñarlo, no parece tener éxito en su
enseñanza, con base en la investigación educativa sobre el tema?
Con la intención de dar respuesta a estas preguntas, nos propusimos investigar el
Conocimiento Didáctico del Contenido (CDC en lo sucesivo) –Pedagogical Content
Knowledge en inglés (PCK)–, un concepto propuesto inicialmente por Lee S.
Shulman en 1983 y que hoy se considera clave para la investigación y la mejora
de la práctica docente del profesorado.
Shulman (1986), consideró el CDC como “el conocimiento base para la
enseñanza, que describe la capacidad de los profesores para ayudar a que los
estudiantes comprendan un tema o concepto determinado”. Consideró que los
factores clave del CDC son el conocimiento de las representaciones del tema y la
comprensión de las dificultades específicas de aprendizaje. Con base en esto,
planteó que para ubicar el conocimiento que se desarrolla en la mente de los
profesores, hay que distinguir tres tipos de conocimientos:
- El Conocimiento del Contenido Temático de la Asignatura (CA), que se
refiere a la cantidad y organización del conocimiento del tema per se en la
mente del profesor, requiriéndose ir más allá del conocimiento de los
hechos o conceptos de un dominio y entender las estructuras del tema.
- El Conocimiento Curricular (CC) representado por el abanico completo de
programas y materiales (como libros de texto, software, demostraciones de
laboratorio), diseñados para la enseñanza de temas particulares que se
encuentra disponible en relación con estos programas, incluyendo
indicaciones y contraindicaciones para el uso de currículo particulares o
materiales de programas en circunstancias particulares.
- El Conocimiento Didáctico del Contenido (CDC), que es el que ha recibido
más atención, tanto en el campo de la investigación como en el de la
práctica. Shulman (1987) lo definió como las formas de representar y
formular el contenido temático para hacerlo más comprensible para los
demás, y expresó: es el conocimiento que va más allá del tema de la
materia per se y que llega a la dimensión del conocimiento del tema de la
materia para la enseñanza. El CDC es diferente del Conocimiento Didáctico
general para la enseñanza, el cual comprende principios genéricos de
organización y dirección en el salón de clases, y el conocimiento de las
teorías y métodos de enseñanza.
Por otro lado, Magnusson y colaboradores (1999), proponen que el Conocimiento
Didáctico del Contenido se compone de los siguientes elementos:
El CDC habilita al profesor para responder preguntas como: ¿Qué analogías,
metáforas, ejemplos, demostraciones de laboratorio, simulaciones, son las formas
más efectivas para comunicar los entendimientos adecuados o las actitudes de un
determinado tópico a estudiantes con antecedentes particulares?, es decir, se
refiere a la transducción que debe hacer el docente para hacer comprensible los
temas que imparte. También incluye la comprensión de lo que facilita o dificulta el
aprendizaje de tópicos específicos y las concepciones y preconcepciones con que
los estudiantes de diferentes edades y antecedentes acceden al aprendizaje de
los distintos tópicos enseñados.
En resumen, el Conocimiento Didáctico del Contenido (CDC), es una forma de
describir el conocimiento que poseen los profesores. Es una especie de puente
entre aspectos pedagógicos y de contenidos que pueden ser útiles para mejorar la
enseñanza de las ciencias en sus diversos aspectos. Muchas investigaciones
tratan el tema como herramienta ventajosa en la formación del profesorado de
ciencias, campo que históricamente se ha enfocado solamente a la formación
disciplinaria.
Sin embargo, después de una investigación bibliográfica sobre el CDC de
profesores que imparten equilibrio químico, nos dimos cuenta que el tema está
prácticamente desierto. Con base en lo anterior, el problema objeto de estudio de
la presente tesis doctoral es:
Frente a lo difícil que sigue siendo el enseñar y aprender el equilibrio químico, en
todos los niveles educativos y, dado el papel central que este concepto tiene en el
aprendizaje de la química y su necesidad en el entendimiento de tantos
fenómenos de relevancia industrial y contextual, como son los desequilibrios
atmosféricos, nos proponemos indagar el CDC de los profesores que imparten el
tema en la Universidad Nacional Autónoma de México, particularmente en la
Escuela Nacional Preparatoria y en la Facultad de Química.
2.2 Preguntas de investigación
Con base en lo anterior, las preguntas que dirigieron esta investigación son:
¿cuáles son las diferencias entre los docentes de bachillerato y los de
licenciatura en la enseñanza del tema equilibrio químico?
¿es posible, que el CDC de los docentes nos de información acerca de cuál
es el marco de enseñanza (cinético o termodinámico) didácticamente más
adecuado para el aprendizaje del equilibrio químico?
¿cuáles son las metodologías de enseñanza y las formas de evaluación
más adecuadas de este concepto, que le permita al estudiante un
aprendizaje significativo y la construcción de explicaciones argumentadas
sobre los fenómenos de su entorno, relacionados con este concepto?,
¿es el CDC una herramienta útil en la identificación de un modelo de
enseñanza del equilibrio químico que nos aleje de las numerosas
concepciones alternativas que se forman durante la instrucción de este
concepto?
El conocimiento del CDC de los docentes que imparten el equilibrio químico
¿permite el desarrollo de propuestas que nos guíen a la construcción de
estructuras conceptuales útiles para la interpretación del comportamiento
de los sistemas en equilibrio que sean la base para superar las dificultades
conceptuales que se sabe que existen en el aprendizaje de este tema?
2.3 Objetivos generales del proyecto
Uno de los objetivos centrales de esta investigación es comprender mejor la
complejidad del proceso de enseñanza aprendizaje del concepto equilibrio
químico.
En acuerdo con lo que afirma Mercè Izquierdo (2004, p. 117), es necesario
“implicar a los alumnos en fenómenos relevantes y significativos para ellos, y
garantizar una dinámica que les permita pensar, hacer y comunicar de manera
coherente “según las reglas del juego de la química”. N o bastan las buenas
preguntas ni un sistema de valores adecuado; es necesario disponer de buenas
teorías que ayuden a pensar y de las palabras adecuadas para sustentar una
dinámica cognitiva que es, a la vez, intervención y transformación del mundo”.
Frente al problema tan importante que plantea la enseñanza del equilibrio químico,
el papel central que éste juega en la educación química y con base en los
resultados de la literatura especializada, que indican la importancia de poner
atención a la forma como se presenta la enseñanza y al seguimiento que se debe
hacer sobre la persistencia de las concepciones alternativas, cambiando la
estrategia de instrucción para evitarlas.
Con lo anterior en mente, en este estudio trabajaremos en la captura del CDC de
ocho profesores mexicanos, cuatro de bachillerato y cuatro de licenciatura, con la
finalidad de identificar si existe congruencia entre las dificultades de enseñanza
aprendizaje del concepto y as metodologías y formas de evaluación que emplean
los docentes. La finalidad de esto será la búsqueda de una propuesta didáctica
que favorezca una nueva dinámica de clase basada en la comunicación de las
ideas y una enseñanza de la química como un proceso de modelización.
De esta suerte, los objetivos que nos planteamos en esta investigación son:
Capturar el Conocimiento Didáctico del Contenido de ocho profesores
mexicanos que imparten el tema de equilibrio químico en el bachillerato y la
licenciatura de la UNAM.
Indagar sobre las metodologías de enseñanza y las formas de evaluación
que acostumbran los docentes y comparar las de los dos niveles de
enseñanza, en la búsqueda de aquellas que promuevan de mejor manera el
aprendizaje significativo de los alumnos.
Comparar los “modelos de enseñanza” de los profesores de ambos niveles
para obtener información de las ventajas y desventajas de la enseñanza de
este concepto en el campo de la termodinámica y de la cinética.
3. MARCO TEÓRICO
3.1 El papel central del equilibrio químico en la enseñanza de la
química
La importancia del estudio del equilibrio químico, radica en que es complemento
esencial en el aprendizaje de varios temas importantes en el estudio de la
química, particularmente en el de cambio químico. El conocimiento del equilibrio
químico es crucial para saber hasta qué punto avanza un proceso, cuál es su
límite termodinámico y cuáles sus aplicaciones industriales de importancia
económica.
La importancia del estudio de este concepto, radica en que por una parte,
complementa el tema de reacción química, razón por la cual se considera
fundamental en el estudio de la química (figura 1), y por otra, permite comprender
los equilibrios de la naturaleza, de aplicación industrial y de la vida cotidiana, como
son la formación de la capa de ozono, la regulación del pH en la sangre, la
adaptación al mal de altura, etc.
Figura 3.1. El equilibrio químico; complemento del cambio químico e importancia contextual.
El entender el equilibrio químico le permitirá a los estudiantes no solo tener un
conocimiento más completo de la reacción química, podrá comprender los
diversos sistemas en equilibrio que se encuentran en su entorno; tanto naturales
como de importancia industrial (Irazoque, 2010).
Con el estudio del tema los alumnos reconocerán la importancia social y científica
del mismo y tendrán información que les permita identificar las variables de control
de estos procesos y la importancia de generar un comportamiento crítico y
responsable hacia el medio ambiente. Tradicionalmente, la enseñanza de este
concepto se hace con base en el Principio de Le Chatelier (Raviolo, et al, 1998).
Esto impide que los alumnos identifiquen y caractericen el concepto para
posteriormente puedan usarlo en la explicación de las rupturas de los equilibrios
naturales, tan de moda en nuestros días.
El equilibrio químico es un concepto abstracto y complejo de interpretar, que
requiere de una terminología específica, tiene gran demanda de prerrequisitos
conceptuales y un alto grado de enlace con conceptos que tampoco son sencillos
de enseñar, como es el de reacción química, por ejemplo. La investigación
educativa menciona que a diferencia de otros temas del currículo, una parte
importante de las concepciones alternativas relativas al equilibrio químico se
generan durante la instrucción y se heredan de otros conceptos como el de
reacción química. Enseñar el tema de equilibrio químico es un desafío en todos los
niveles educativos, desde la educación media hasta la universitaria (Moncaleano,
et al, 2003).
Por otro lado, Shayer y Adey (1981) sostienen que un alumno que no ha
alcanzado un nivel de pensamiento formal avanzado es incapaz de entender las
características del equilibrio químico: simultaneidad de dos procesos en
direcciones opuestas.
Los alumnos que comprendan el concepto de equilibrio químico podrán entender
algunos de los cambios en el medio ambiente debidos a la actividad humana. El
caso del adelgazamiento de la capa de ozono podría ser uno de los más
relevantes porque ya empieza a afectar la calidad de vida de los seres vivos. Si los
alumnos comprenden de qué se trata el equilibro químico que mantenía el grueso
de la capa de ozono en la estratosfera hasta hace algunos años, podrán entender
las alteraciones de éste, podrán comprender las causas que están provocando el
adelgazamiento de esta capa en diversas partes de la atmósfera y, solo así,
podrán imaginar propuestas de solución a este problema. Es importante que
conciban que implica el que el ozono de la estratosfera se encuentra en un estado
de equilibrio dinámico, porque este gas se produce y descompone continuamente,
pero siempre se mantiene en una proporción determinada.
No menos relevantes son las aplicaciones industriales de importancia económica,
donde se ponen en juego simultáneamente conceptos de equilibrio y cinética
química, como la síntesis del amoníaco (proceso Haber) o la producción de hierro
metálico por reducción del mineral de hierro. El conocimiento del equilibrio es
crucial para saber hasta qué punto avanza un determinado proceso, cuál es su
límite termodinámico y con qué aplicaciones industriales de importancia
económica están relacionados estos equilibrios.
Con el estudio del tema los alumnos reconocerán la importancia social y científica
del mismo y tendrán la información necesaria para poder identificar las variables
de control de estos procesos y la importancia de generar un comportamiento
crítico y responsable hacia el medio ambiente.
El equilibrio químico es un concepto abstracto y complejo de interpretar, que
requiere de una terminología específica, tiene gran demanda de prerrequisitos
conceptuales y un alto grado de enlace con conceptos que tampoco son sencillos
de enseñar, como es el de reacción química, por ejemplo (figura 3.2).
3.2 Evolución histórica del concepto
La evolución histórica del equilibrio químico ha sido descripta en varias revisiones
(Berger, 1997; Laidler, 1985; Lindauer, 1962; Lund,1965, 1968). El concepto fue
introducido en 1860 en el contexto de estudios empíricos de conversiones
químicas incompletas y reversibles. Las explicaciones para este fenómeno fueron
formuladas sobre las bases de dos perspectivas teóricas esencialmente
diferentes, un marco teórico cinético y uno termodinámico. (Machado, E.,)
La historia y epistemología de la química, nos indican que el concepto de equilibrio
químico apareció tardíamente en química, cuando ya se había consolidado la
“química de las sustancias” (Sánchez e Izquierdo, 1996).
Se han identificado tres etapas en el desarrollo histórico del concepto. En la
primera de ellas, se tenía la necesidad de responder la pregunta: ¿por qué hay
unas sustancias que reaccionan entre ellas y otras que no lo hacen? En la
búsqueda de posibles respuestas se realizó una tabulación empírica, construida a
partir de las reacciones de desplazamiento, que representaba el comportamiento
Figura 3.2. Conceptos antecedentes al estudio del equilibrio químico.
observado y el previsible en la interacción de algunas sustancias. Bergman (1775)
en De atractionibus electivis expuso el concepto de afinidad electiva como
propiedad dependiente solo de la naturaleza de los componentes de las
sustancias y que determina el resultado de las interacciones de éstas. Sin
embargo, se tuvieron que considerar otros factores para poder responder las
preguntas que había sobre cuál era el mecanismo responsable de estas
reacciones y de las anomalías que presentaban respecto al sistema de Bergman.
Las reacciones entre ácidos y bases se habían clasificado ya en completas e
incompletas y, con base en estas diferencias observadas, surgió una nueva
pregunta sin respuesta: ¿por qué unas sustancias reaccionan totalmente y otras
no?
Por otro lado, una ves que Lavoisier fundamenta su “Sistema Químico” en la Ley
de Conservación de la masa, aumenta el interés por entender ¿de qué manera
influye la masa de los reactivos en el progreso de una reacción química?
Paralelamente, Berthollet (1803) modifica el “sistema de afinidades” al considerar
que la actividad química de una sustancia tenía dos contribuciones: la afinidad de
esta sustancia hacia otra y la masa de la primera que estaba en contacto con la
segunda. De esta manera se explicó el hecho de que las reacciones pueden
llevarse a cabo en sentido contrario al predicho por las afinidades electivas.
Durante la primera mitad del siglo XIX, las ideas sobre las afinidades electivas y la
participación de la masa en las reacciones químicas quedaban enmarcadas en las
ideas del atomismo de Dalton y como Berthollet asumía que las proporciones de
los componentes en una sustancia podrían ser variables, algunos químicos
asumieron incompatible la ley de las masas con las teorías atómicas.
Por otro lado, se observó que factores como la volatilidad, la solubilidad, el calor y
la fuerza de cohesión, concepto ya definido por Berthollet, intervenían en el efecto
de las masas sobre la dirección de las reacciones químicas. Esto hacía muy
complejo el problema y los químicos lo abandonaron por varios años.
En aquel entonces, Berthollet consideraba el estado de equilibrio como estático,
en comunión con las ideas de balance mecánico de fuerzas que manejaban los
físicos de aquel entonces. Parecía que las interacciones químicas eran el
resultado de fuerzas atractivas mutuas actuando entre los reactivos, lo que llevaba
implícita, siguiendo la mecánica newtoniana la consecuencia de un equilibrio
estático en el punto en que las fuerzas en ambos sentidos son iguales. A partir de
la segunda mitad del siglo XIX muchos químicos diseñaron experimentos para
verificar la acción de la masa en las reacciones químicas. Era preciso preguntarse
entonces, ¿cuáles son las causas que estabilizan las reacciones de equilibrio?
En 1864, Guldeberg y Waage publican la Ley de acción de masas en la que
introducen un nuevo concepto: la masa activa, que esencialmente coincide con el
término actual de concentración. Para ello, tomaron en cuenta los trabajos de
Berthollet, en particular los conceptos de masa activa y el de la esfera de acción
en la que actuaban las fuerzas de cohesión. Las fuerzas en cada sentido eran
proporcionales a las masas activas de los reactivos y quedaban igualadas en el
equilibrio.
3.2.1 El equilibrio químico en el marco de la cinética
Desde la perspectiva cinética, Pfaundler formuló una explicación para la
disociación parcial del cloruro de amonio en amoníaco y cloruro de hidrógeno. Lo
hizo en término de movimiento y colisiones de partículas, cuya energía cinética es
disipada a cierto valor, la cual está relacionada con la temperatura. Como
consecuencia, en algún momento, a temperatura y presión constante, algunas
moléculas podrían descomponerse mientras otras nuevas se forman por las
colisiones.
En un estado de equilibrio, el número de moléculas por unidad de tiempo que
están siendo descompuestas debe ser igual al número de moléculas que son
formadas.
Más tarde, Guldberg y Waage fueron los primeros en derivar una ecuación
matemática para las masas activas. (Guldberg y Waage, 1879). Sin embargo, más
que usar nociones corpusculares explícitas, Guldberg y Waage dedujeron su
ecuación sobre la base de sus estudios empíricos.
3.2.2 El equilibrio químico en el marco de la termodinámica.
Dentro del marco termodinámico, una explicación cualitativa para el fenómeno del
equilibrio fue dada por Horstmann (1873). Él usó la Segunda Ley de la
Termodinámica como punto de partida para razonar que en un estado de equilibrio
químico, la entropía del sistema debe ser máxima. En su visión, los procesos
moleculares son sólo influenciados por el tiempo que les lleva alcanzar el estado
de equilibrio.
Van´t Hoff formuló las características del equilibrio químico en términos de un
sistema dinámico (Van´t Hoff, 1884). Muy poco tiempo después, esta formulación
fue adaptada por Le Chatelier, quien propuso una regla simple, explicando el
comportamiento de los sistemas en equilibrio debidos a cambios en presión,
volumen, concentración o temperatura, en términos de cambios para compensar
parcialmente el “stress” aplicado (Le Chatelier, 1884).
Por su cuenta, Van’t Hoff elaboró una ley sobre la base de igualar las velocidades
de reacción en los dos sentidos, lo cual implicaba una perspectiva dinámica del
mecanismo de las reacciones. Actualmente, esta propuesta sigue vigente
mayoritariamente en la enseñanza del equilibrio químico.
La visión termodinámica. Desde que se propone la teoría de la afinidad, se tenía
una pregunta pendiente: ¿de qué manera influye el calor de reacción en el
equilibrio de las reacciones? Bergman (1775) construyó incluso tablas de afinidad
para aquellas sustancias que reaccionaban a latas temperaturas, ya que suponía
que el calor era la única causa que podía enmascarar las fuerzas de afinidad.
Hubo que esperar a la segunda mitad del siglo XIX en que Thompson y Berthelot
formularan, a partir de métodos calorimétricos, que la magnitud del calor de una
reacción química era una medida directa del máximo trabajo disponible de las
fuerzas que actuaban, es decir, de la afinidad química; las reacciones exotérmicas
habían de ser espontáneas y las endotérmicas no.
Van’T Hoff deduce la ecuación que relaciona la variación del estado de equilibrio
(la constante K) con la variación de la temperatura , que adquiere un carácter más
general con las deducciones de Gibbs (1870)sobre potenciales termodinámicos. El
desarrollo de esta argumentación condujo a medir la afinidad química reformulada
como energía libre.
3.3 El estudio del equilibrio químico en México
Gran parte de los currículos de bachillerato en el mundo contemplan el estudio del
equilibrio químico y casi en todos ellos se le ubica en los últimos años de este
nivel educativo. Muchos autores afirman que lo anterior se debe a que es un
concepto abstracto de difícil comprensión y con una gran carga conceptual y esto
justifica que su estudio se inicie hasta el último curso de química de la enseñanza
media superior.
Otra razón por la que este tema es incluido hasta el final del bachillerato es que,
desde el punto de vista del desarrollo cognitivo del alumno, la naturaleza abstracta
del concepto requiere de la utilización del pensamiento formal para su
comprensión. Wheeler y Kass (1978) en su investigación, sostienen que un
alumno que no ha alcanzado un nivel de pensamiento formal avanzado es incapaz
de entender que el equilibrio químico es un proceso dinámico: dos procesos con
sentidos opuestos.
En los programas de estudio de la licenciatura, el tema está considerado
generalmente en el primer tercio de las carreras del área.
3.3.1 Su ubicación en los currículos mexicanos.
3.3.1.1 En el bachillerato universitario.
La Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) cuenta con dos
subsistemas de bachillerato, uno de ellos es la Escuela Nacional Preparatoria
(ENP) y el otro es El Colegio de Ciencias y Humanidades (CCH).
La ENP tiene nueve plateles a los que actualmente asisten cerca de 48,000
alumnos y 2,400 profesores (http://www.dgenp.unam.mx/acercaenp/index.html),
el CCH cuenta con cinco planteles.
El bachillerato universitario tiene una identidad propia y metas especificas para
impulsar y consolidar la formación integral de sus alumnos como ciudadanos de su
época y su nación. Su misión está dirigida a prepararlos para una carrera
determinada; al mismo tiempo pretende el desarrollo integral de sus facultades
para hacer de ellos ciudadanos cultivados, con una personalidad propia dentro de
la formación de una disciplina intelectual que lo dote de un espíritu científico, de
una cultura general que le dé una escala de valores, de una conciencia cívica que
le defina sus deberes frente a su país y frente a la humanidad.
A partir de 1996 se han actualizado los programas de estudio de la Nacional
Preparatoria y se ha considerado que esto es suficiente para mantener la
vanguardia en la enseñanza, pues no se había hecho una reforma desde los
planes de estudio de 1964. El currículo de química actual contempla las siguientes
asignaturas (figura 3.3):
El curso de Química III es introductorio, se imparte a toda la población estudiantil
en el quinto año, es un curso de química general y pretende el estudio de la
química necesaria para tener una cultura general. Los otros tres cursos deben ser
una herramienta útil para el estudiante de las áreas físico-matemáticas (I) y
químico-biológicas (II), son cursos propedéuticos que se imparten en el sexto año
del bachillerato.
Estos programas de estudio presentan una distribución instruccional, son un
listado de contenidos con una serie de actividades que no están bien definidas, ni
estructuradas. Se favorece la exposición oral del profesor y no se fomentan las
capacidades creativa e innovadora del alumno ni del profesor. Se dan
instrucciones en términos propios de un aprendizaje memorístico, conductista y
QUÍM
ICAIII
QUÍMICAIVÁREAI
QUÍMICAIVÁREAII
FISICOQUÍMICA
Figura 3.3. Asignaturas de química que se imparten en la ENP (Huerta, 2008).
nunca se describe cómo se deben abordar estas estrategias o cuáles son sus
finalidades.
Algunos temas están incompletos y carecen de una estructura conceptual
coherente, en muchos casos se salta de un tema a otro sin una continuidad, los
conceptos se trabajan como temas sueltos, aislados. El programa de química III
pretende dar un enfoque CTS y toma ideas relacionadas con algunos temas
ambientales, saltando de estas aplicaciones a los conceptos químicos, regresando
al listado de actividades cerradas que indican que la ciencia tiene una sola
solución o respuesta. La mayoría de los contenidos vuelven a estar alejados de los
intereses propios de los alumnos, de hecho, nunca se toma en cuenta al alumno y
sus características propias.
No se integran los tres niveles de representación: macroscópico, nanoscópico y
simbólico, predominando en los contenidos la interpretación nanoscópica por parte
del alumno. De hecho el nivel simbólico no está del todo claro, ya que no se
contempla el tema de nomenclatura química, en el programa de química III.
Las estrategias didácticas sólo se mencionan pero no están bien descritas ni
tienen la profundidad necesaria. No se sugieren actividades experimentales
puntuales; existe un manual de prácticas que en muchas ocasiones no coincide
con el programa de estudio y los experimentos se presentan descontextualizados,
sin aplicaciones de la vida cotidiana. Se menciona el uso de lecturas,
experimentos y videos que no se describen y tampoco se indica de qué manera
deben usarse.
En la ENP, el estudio del equilibrio químico está contemplado en el tercer año de
las áreas de estudio I (matemáticas e ingenierías) y II (ciencias de la salud).
3.3.1.2 En las licenciaturas de la Facultad de Química de la UNAM.
Prácticamente en todos los currículos de las licenciaturas relacionadas con la
Química, el estudio del equilibrio químico se contempla en el primer tercio de los
Planes de Estudio.
La Facultad de Química cuenta con 8 112 alumnos inscritos. En agosto de este
año, ingresaron 1 375 estudiantes a la facultad de química de la UNAM. Se
estudian cinco carreras: Química, Ingeniería Química, Ingeniería Química
metalúrgica, Química de Alimentos y Química Farmacéutica Biológica.
El tema de equilibrio químico, se estudia en dos momentos en la Facultad de
Química de la UNAM. Por un lado, forma parte del Programa de Estudios de la
asignatura titulada Química General II que se imparte en el segundo semestre del
tronco común de la Facultad, es decir, todos los alumnos, independientemente de
la carrera que hayan elegido, deberán cursarla. Es un curso teórico-práctico y los
objetivos que se indican en relación con el estudio del equilibrio químico son:
a) Que se establezcan las condiciones que determinan los aspectos
macroscópicos de un sistema en equilibrio y predigan cualitativamente el
sentido del desplazamiento de la condición de equilibrio.
b) Que apliquen los conocimientos del equilibrio químico en la predicción de
reactivos y productos.
Los alumnos que cursan esta materia, deberán estudiar como primer tema el de
“Estequiometría en reacciones completas y después el tema de equilibrio químico
al que se le dedican cinco horas de teoría y diez de laboratorio. Los subtemas que
se contemplan son:
Reacciones cuantitativas. Reacciones no cuantitativas y reversibilidad.
Orígenes cinéticos de la Ley de Acción de masas. Ley de Acción de Masas.
Cociente de reacción y la constante de equilibrio, Keq, Kc, Kp.
Sistemas homogéneos (gaseosos). Sistemas heterogéneos. Sistemas en
disolución.
Alteración de la condición de equilibrio. Aspectos cualitativos y tendencia al
equilibrio químico. Temperatura, concentración, volumen, presión. Aspectos
cuantitativos.
Aplicación de la Keq a la predicción o cálculo de concentraciones al
equilibrio (problemas). Aplicación de Keq cuando se altera la condición de
equilibrio, para los cálculos de la nueva situación de equilibrio. Problemas
numéricos.
El temario continúa con el estudio de equilibrios ácido base en disolución acuosa
en donde ven, entre otras cosas, disoluciones amortiguadoras.
La otra asignatura donde se estudia equilibrio químico es la de “Equilibrio y
cinética” que al igual que la anterior, es de tronco común pero de tercer semestre.
Inicia con los temas de Equilibrios físicos (sistemas ideales) y Sistemas binarios,
para después entrar al estudio del Equilibrio Químico (sistemas ideales), pero
ahora enmarcado en la termodinámica. El tiempo dedicado al tema son dieciocho
horas; nueve de teoría y nueve de laboratorio. Los subtemas que se tratan son:
Análisis de las propiedades de la energía de Gibbs y el potencial químico
como criterio de espontaneidad y equilibrio. Aplicación de la energía de
Gibbs y del potencial químico a procesos químicos.
Constante de equilibrio termodinámica de sistemas homogéneos y
heterogéneos.
Factores que afectan a la constante de equilibrio, su dependencia con la P,
T y concentración.
Cálculo del grado de conversión para sistemas reaccionantes homogéneos
y heterogéneos.
El curso finaliza con el estudio del tema de Cinética Química.
El tercer curso en el que se estudia el concepto es el de la Termodinámica
Química. Esta materia se imparte en seis horas a la semana; cuatro de teoría y
dos de laboratorio, pertenece al cuarto semestre de la carrera de Ingeniería
Química y es de carácter obligatorio.
El curso inicia con el tema de Principios Fundamentales en el que se ven el
concepto y los criterios del equilibrio; las condiciones generales del equilibrio, su
aplicación en sistemas cerrados, el estado de equilibrio con diferentes
restricciones y, después de establecer la estructura matemática necesaria, se
estudian diagramas de fase, ecuaciones de estado, coeficientes de actividad y
funciones en exceso, para cerrar el curso con los temas:
Enfoque termodinámico: Constante de equilibrio.
Enfoque no estequiométrico.
Regla de las fases.
Equilibrio físico y químico en sistemas de varios sistemas reaccionantes.
Esta asignatura pertenece al segundo semestre del Tronco Común, es decir, se
imparte a todos los estudiantes de la Facultad.
3.4 Concepciones alternativas y dificultades de enseñanza
aprendizaje reportadas sobre el tema.
Por lo anterior, la enseñanza aprendizaje del equilibrio químico ha sido objeto de
muchos estudios en didáctica de las ciencias y, como frecuentemente se ha
asociado con dificultades de aprendizaje, no es de sorprender que se ha escrito
mucho al respecto y con diferentes objetivos; para conocer las dificultades de
aprendizaje de los alumnos, los errores conceptuales, las concepciones
alternativas, las explicaciones a estos errores, la superposición de los niveles de
representación macroscópica y nanoscópica, etcétera.
La enseñanza del concepto equilibrio químico implica un gran desafío, tanto en la
educación media superior como en la universitaria. Van Driel y Gräber (2002, p.
271), inician el capítulo recordando una frase de Hildebrand, que considero
significativa:
“Parece ser que no hay tema en la química del primer año que presente más
dificultades a los estudiantes que el equilibrio químico. Después de tratar por casi
30 años de dar respuestas claras a sus preguntas, he llegado a tener una gran
simpatía por mis alumnos y me he dado cuenta que es un tema inherentemente
difícil”
Los autores, además de un recuento de las investigaciones que se han hecho
para conocer las dificultades de aprendizaje que presentan los alumnos, cuáles
son las concepciones alternativas asociadas y buscar explicaciones a estos
errores, presentan algunas recomendaciones con el fin de diseñar propuestas
didácticas más efectivas en la construcción del concepto por parte de los alumnos:
Una de las observaciones que hacen los autores es la de que en cursos
introductorios de química, las reacciones químicas usualmente se asocian con
fenómenos observables; cambios de color, evolución y absorción de calor,
formación de precipitados, formación de gas, etc., y se presentan como procesos
que avanzan hasta terminar y tienen lugar en una sola dirección (Van Driel y
Gräber, 2002). En contraste, en cursos más avanzados, la introducción del
concepto de equilibrio químico toma en cuenta la reversibilidad de las reacciones
químicas y la posibilidad de que las reacciones no terminen.
La naturaleza dinámica del equilibrio químico no se observa macroscópicamente;
esto complica de manera importante el que los estudiantes comprendan que se
llevan a cabo dos reacciones químicas simultáneas y opuestas, y en
consecuencia, es necesario que al introducir el concepto de equilibrio químico, los
estudiantes revisen su concepción inicial de reacción química.
Por otro lado, el énfasis en la resolución de problemas está puesto en aspectos
cuantitativos del aprendizaje a expensas de razonamientos cualitativos. En el caso
de la constante de equilibrio, los alumnos pueden calcular su valor, pero
difícilmente darán una interpretación correcta de éste.
Es importante, que el alumno comprenda que la gran mayoría de las reacciones
son reversibles y que la unidireccionalidad en los cambios químicos son la
excepción. La mayoría de las reacciones que se presentan en el aula, en ambos
niveles educativos, se llevan a cabo en fase acuosa, de tal manera que
trabajamos con sistemas cerrados aunque los matraces estén abiertos.
También se ha investigado que una buena parte de los problemas de aprendizaje
del equilibrio químico, se presenta por el uso habitual de analogías inadecuadas
durante el proceso de enseñanza.
Por otro lado, existe una comprensión insuficiente de los conceptos asociados a
las reacciones químicas como son el de estequiometría, termoquímica, etc. Sin
embargo, los conceptos más problemáticos son la naturaleza dinámica y
reversible del equilibrio químico, el uso del Principio de Le Chatelier y la constante
de equilibrio.
Como se observa, la enseñanza del equilibrio químico no es empresa fácil, es un
concepto con alto grado de complejidad, especificidad y abstracción. Tiene
también una gran exigencia conceptual en virtud de que su aprendizaje requiere
de la comprensión y el manejo de otros conceptos químicos también de difícil
aprendizaje como son los de reacción química, estado gaseoso, estequiometría,
cinética y termoquímica (figura 3.2), y esta situación propicia que el proceso de
aprendizaje del equilibrio químico herede las dificultades asociadas a los
conceptos antecedentes.
La investigación educativa menciona que a diferencia de otros temas del currículo,
una parte importante de las concepciones alternativas relativas al equilibrio
químico se generan durante la instrucción y se heredan de otros conceptos como
el de reacción química. Enseñar el tema de equilibrio químico es un desafío en
todos los niveles educativos, desde la educación media hasta la universitaria
(Moncaleano, et al, 2003).
Por otro lado, Shayer y Adey (1981) sostienen que un alumno que no ha
alcanzado un nivel de pensamiento formal avanzado es incapaz de entender las
características del equilibrio químico: simultaneidad de dos procesos en
direcciones opuestas.
Los cuantiosos trabajos de investigación sobre enseñanza y aprendizaje del
equilibrio químico (Wheeler y Kass, 1978; Quílez, 1995 y 2002; Raviolo y Martínez,
2003; Irazoque, 2009) se deben en gran medida a la importancia que este
concepto tiene en el aprendizaje de la química y a que este tema es uno de los
que presentan más dificultad desde el punto de vista didáctico. En su artículo
Raviolo y Martínez (2003) hacen una revisión exhaustiva de los estudios empíricos
reportados en la literatura sobre las concepciones alternativas que presentan los
estudiantes respecto del equilibrio químico.
Una buena parte de estos estudios (Raviolo y Martínez, 2005) indican que dos de
las ideas antecedentes fundamentales para la enseñanza del equilibrio químico,
son la de reversibilidad y la de equilibrio dinámico. En su investigación, Laugier y
Dumon (2000) precisan en su investigación que para que los alumnos puedan
construir el concepto de equilibrio químico es necesario, entre otras cosas, que:
acepten la existencia de uno de los reactivos después de que el sistema
cambió,
entiendan que la flecha en la ecuación química no es sinónimo de la
desaparición de todos los reactivos,
sepan que la ecuación química se puede usar para representar situaciones
experimentales diferentes,
imaginen que un sistema químico en el estado de equilibrio es una mezcla
de todas las sustancias químicas escritas en la ecuación química.
Al analizar los puntos anteriores, es evidente, la estrecha relación que tienen con
los conceptos de reversibilidad y equilibrio dinámico y es por ello, que los
resultados de la investigación educativa en general, insisten en la necesidad de
tratarlos con mayor detenimiento que el que comúnmente se le da en los
programas de estudio.
Esta idea la estudian Bradley, Gerrans y Long (1990, en Raviolo y Martínez
(2003)) y afirman que los alumnos que mantienen un modelo nanoscópico
inadecuado de la reacción química, pueden sostener concepciones alternativas
como considerar independientes las direcciones directa e inversa de la reacción
química.
Como la reversibilidad de las reacciones no se “ve”, es necesario ponerla en
evidencia. La construcción de este concepto resultará de muchas observaciones,
experimentos e inferencias, que si no se presentan en un contexto adecuado y con
las “reglas del juego” claras para los alumnos, no les será significativo y
terminarán adivinando lo que el profesor desea escuchar.
Otras investigaciones (Rocha y Escandroli, 2000, Quílez y Solaz, 1995) coinciden
en que el origen de varias de las concepciones alternativas que presentan los
alumnos, se deben entre otros factores a la experiencia casi nula que los alumnos
poseen en el trabajo con reacciones químicas reversibles.
De hecho, es frecuente que, tanto en bachillerato como en la licenciatura, el tema
de cambio químico se ilustre sólo con reacciones irreversibles, de tal forma que el
estudio de la reversibilidad y del equilibrio dinámico parece no tener un espacio
relevante antes de entrar al tema de equilibrio químico.
Por la importancia conceptual del tema, la literatura es abundante en trabajos de
investigación sobre las concepciones alternativas que presentan los alumnos de
bachillerato y licenciatura al respecto. Los resultados de la investigación educativa
muestran que a diferencia de otros temas del currículo, una parte importante de
las concepciones alternativas relativas al equilibrio químico se generan durante la
instrucción y otras se heredan de conceptos antecedentes como el de reacción
química.
Huerta (2008) realizó un estudio exhaustivo de estas investigaciones y, en su tesis
de maestría, las clasifica en las que son heredadas de la enseñanza de conceptos
antecedentes, las que se generan por falta de los conocimientos conceptuales
necesarios y las que se generan durante la instrucción. Algunas de las que Huerta
considera más relevantes en su estudio se muestran en la siguiente figura (3.4).
Como puede observarse, además de las dificultades heredadas del aprendizaje de
los conceptos antecedentes, son muy importantes las relativas a las
características de este estado termodinámico: sistema cerrado, proceso reversible,
equilibrio dinámico, igualdad de velocidades, constancia de concentraciones e
interpretación de la constante de equilibrio, sin mencionar todas las que se
propician por la enseñanza tradicional en la que, antes de asegurar la
comprensión del equilibrio químico como un estado termodinámico con
características particulares y muy novedosas para los alumnos, se introduce el
famoso Principio de Le Chatelier provocando, en muchas ocasiones, una
confusión mayor.
Tradicionalmente, la enseñanza de este concepto se hace con base en el Principio
de Le Chatelier (Raviolo, et al, 1998). Esto impide que los alumnos identifiquen y
caractericen el concepto para posteriormente puedan usarlo en la explicación de
las rupturas de los equilibrios naturales, tan de moda en nuestros días.
Los libros de texto también tienen su participación en este renglón (Rocha y
Escandroli, 2000, Quílez y Solaz, 1995),
c) la importancia dada, en clase y en los libros de texto, a los cálculos
estequiométricos, que ponen énfasis en los coeficientes de la ecuación
química.
d) la utilización de analogías para explicar el equilibrio por parte de los
docentes y de los libros de texto.
Concepciones alternativas.
Equilirio químico.
Conceptos anteriores
Deficiencias en el lenguaje químico. Ecuación química. Sinonimias masa-cantidad de sustancia-concentración. Estequiometría. Dificultades matemáticas; proporcionalidad Leyes de los gases-teoría cinético molecular. Escala nanoscópica
Conceptos ausentes
Reversibilidad
Equilibrio dinámico
Durante la instrucción
Avance de reacción = velocidad Reacción directa e inversa = procesos separados e independientes. Compartimentación : recipientes diferentes Proceso pendular: nunca hay igualdad de velocidades. Equilibrio = inmovilidad. Presencia de todas las especias. La vd aumenta con el tiempo hasta el equilibrio
Figura 3.4. Concepciones alternativas importantes de considerar en el aprendizaje del concepto de equilibrio químico (Huerta, 2008).
Los trabajos de investigación sobre enseñanza y aprendizaje del equilibrio químico
(Quílez, 1995), ponen de manifiesto que este tema es uno de los que presentan
más dificultad desde el punto de vista didáctico y coinciden en cuáles son los
puntos de mayor conflicto.
Las reacciones químicas están asociadas con cambios macroscópicos, que
pueden ser observados directamente; cambios de color, etc., o con la ayuda de un
instrumento específico; cambio de punto de fusión. En un sistema en equilibrio
químico, todas las propiedades macroscópicas son constantes. A pesar de que se
están llevando a cabo simultáneamente dos reacciones opuestas a la misma
velocidad; los efectos macroscópicos observables se cancelan entre sí. Por lo
tanto, el equilibrio químico es un proceso dinámico.
En su tesis de maestría, Huerta (2008) menciona que la enseñanza habitual del
equilibrio químico generalmente parte del estudio del Principio de Le Chatelier, sin
embargo, la investigación documental que realiza y el análisis de los resultados de
la propuesta didáctica que diseñó, concuerdan con el hecho de que la pareja
principio de Le Chatelier-equilibrio químico es más dañina que fructífera, ya que
propicia que el estudiante de bachillerato no centre su atención en los aspectos
que caracterizan e identifican al concepto y, el estudio de este concepto queda
siempre asociado a lo que sucede al cambiar concentración, presión y/o
temperatura.
3.5 El Conocimiento Didáctico del Contenido (CDC) y cómo registrarlo
El conocimiento didáctico del contenido (CDC, PCK por sus siglas en inglés) es un
concepto propuesto por Shulman en 1983 en una conferencia que tituló: “El
paradigma perdido en la investigación sobre la enseñanza”. Hoy el CDC se
considera clave para la investigación y mejora de la práctica docente del
profesorado y en el proceso de formación y evaluación de la docencia.
En su trabajo, Shulman reconsidera el conocimiento del profesor y brinda especial
atención al papel que juega el entendimiento y la transposición didáctica del
conocimiento especializado de un tema a conocimiento escolar objeto de
enseñanza y aprendizaje (Chevallard, 1991). Para ello, hay que tener en cuenta
las creencias y teorías implícitas que forman parte del pensamiento docente y que
orientan sus ideas sobre el conocimiento, la construcción de su enseñanza y su
aprendizaje (Abell, 2007; Cochran-Smith y Lytle,1990).
Shulman (1987) señala posteriormente, que el proceso docente propiamente dicho
se inicia cuando el profesor empieza con una planificación reflexiva de su actividad
docente, desde las finalidades educativas, la estructura conceptual y las ideas del
tema que va a enseñar, hasta el contexto educativo y, entonces comprende a
fondo lo que debe ser aprendido por sus estudiantes (Acevedo, 2009).
A continuación reflexionó sobre cómo lo debe enseñar (selección y organización
de los materiales a utilizar, así como de analogías, metáforas, ejemplos,
demostraciones, explicaciones, etc.), tomando en consideración las mejores
formas de representación del contenido y las características del razonamiento de
sus propios alumnos, para plantear una forma de enseñanza, evaluación, reflexión
y nueva comprensión para el futuro, con lo que se reiniciará otra vez un ciclo de
reflexión (figura 3.5).
La introducción de este concepto al campo de la didáctica de las ciencias, causó
gran inquietud, y muchos investigadores empezaron a estudiarlo, algunos de ellos
están mencionados en la tabla 3.1 al igual que la interpretación que hacen del
CDC.
Figura 3.5. Modelo Didáctico de Razonamiento y Acción propuesto por Shulman (1987). Tomado de Acevedo (2009).
Autores Interpretación
Shulman (1987) Define el CDC los “caminos” que el docente construye para representar y formular el contenido temático para hacerlo más comprensible a los alumnos.
Grossman (1990) (alumna distinguida de Shulman)
Identifica tres dominios que influyen en el CDC de los profesores:
- conocimiento del contenido temático - conocimiento pedagógico. - conocimiento del contexto.
Cochran y otros (1991) Hablan del “saber didáctico del contenido” más que del CDC y lo definen como las formas en que los maestros relacionan su conocimiento didáctico con su conocimiento en el contexto escolar y con las cuatro componentes que posee el docente: pedagogía, conocimiento de la materia, características del estudiante y contexto de aprendizaje.
Geddis (1993) Afirma que los docentes deben conocer: qué es lo que hace a un tema en particular difícil de aprender para los estudiantes, cuáles son las estrategias didácticas idóneas para “enfrentar” las concepciones alternativas que presentan los alumnos respecto del tema y propiciar el aprendizaje y, por último, cuáles son las metodologías didácticas (analogías, ilustraciones, ejemplos, demostraciones, etc.) más adecuadas para que los alumnos aprendan.
Fernández-Balboa y Stiehl (1995)
Consideran que la “efectividad” del docente depende de las creencias y conocimientos que guían sus decisiones y acciones docentes.
Veal y MaKinser (1999) Construyen una taxonomía para el CDC y los niveles que identifican son: pedagogía, CDC general, CDC disciplinario (ciencias, idiomas,...), CDC de dominios específicos (biología, química, ...) y CDC de temas específicos (solubilidad, oxidación, ...). Describen herramientas generales de enseñanza o pedagogía que deben desarrollar todos los profesores e incluyen, actividades docentes como: planeación, métodos de enseñanza, evaluación, trabajo de grupo, cuestionamientos, tiempo de espera, retroalimentación, instrucción individual, lecturas, demostraciones y reforzamiento.
Tabla 3.1. Interpretaciones del concepto CDC acuñado por Schulman.
En acuerdo con Talanquer (2004), la habilidad de los docentes para crear
situaciones de aprendizaje propicias y efectivas para el aprendizaje, no solo
depende de qué tanto sabe éste del tema o de los diversos métodos de
enseñanza que se han propuesto en la literatura, parece ser que su éxito didáctico
se centra en la habilidad para transformar el conocimiento disciplinario que posee
en formas que resulten significativas para sus estudiantes.
Para conseguir esta transformación pedagógica del conocimiento científico se
requiere que el docente haga una amalgama entre lo que sabe de la materia que
imparte con los propósitos que identifica para enseñarla.
En este sentido, Talanquer (2004) afirma que: “esta ‘‘recreación’’ del contenido
demanda, entre otras cosas, que el docente: identifique las ideas, conceptos y
preguntas centrales asociados con un tema; reconozca las probables dificultades
conceptuales que enfrentarán sus alumnos y su impacto en el aprendizaje;
identifique preguntas, problemas o actividades que obliguen al estudiante a
reconocer y cuestionar sus ideas previas; seleccione experimentos, problemas o
proyectos que permitan que los estudiantes exploren conceptos e ideas centrales
en la disciplina; construya explicaciones, analogías o metáforas que faciliten la
comprensión de conceptos abstractos; diseñe actividades de evaluación que
permitan la aplicación de lo aprendido en la resolución de problemas en contextos
realistas y variados.”
A pesar de la importancia didáctica que tiene la enseñanza aprendizaje del
equilibrio químico y de la gran diversidad de estudios que se han publicado para
entender las dificultades de aprendizaje, las concepciones alternativas, las
posibles explicaciones a estos errores, cuáles deben ser sus propósitos de
enseñanza, etc., existen muy poca información acerca del CDC de los docentes
que imparten el tema en los dos niveles educativos en que se encuentra
comúnmente.
Por otro lado, en los últimos años los docentes y los investigadores educativos han
manifestado (Talanquer, 2005) la necesidad de desarrollar el CDC de los maestros
como una herramienta útil para mejorar el aprendizaje.
3.5.1 Los CORE’s y los PaPeRs
La pregunta ahora es ¿cómo extraer el CDC de un profesor? Baxter y Lederman
(1999), indican que este es un proceso muy complejo debido, entre otras cosas, a
que se trata de un conjunto de conocimientos implícitos que primero hay que
hacer explícitos, tarea a la que los docentes no estamos acostumbrados. Además,
hay que tener en cuenta que el CDC de un profesor es dinámico y no estático
(Nilsson, 2007, 2008; Wang y Volkmann, 2007 en Acevedo, 2009) y que la
articulación del CDC de un profesor suele requerir un amplio periodo de tiempo en
general (Loughran, Berry y Mulhall, 2006).
Desde el punto de vista del diseño de una investigación, se han sugerido distintos
procedimientos, métodos e instrumentos de recogida de datos para intentar sacar
a la luz y describir el CDC del profesorado. En esta investigación, para recopilar el
CDC de los profesores elegimos la metodología propuesta por Loughram y
colaboradores (Loughran, Berry y Mulhall, 2006), que consiste fundamentalmente
en dos herramientas:
I. Las Representaciones del Contenido CoRes (en inglés:
ContentRepresentations, CoRes).
II. Los Repertorios de experiencia Profesional y Didáctica, (en inglés
Pedagogical and Professional-experience Repertoires, PaPeRs).
Para recopilar las CoRes, los autores empiezan por extraer del profesor las ideas
o conceptos centrales de su exposición del tema y, para cada idea central le
hacen las siguientes preguntas (basadas en las propuestas por Klafki en 1969):
A. ¿Qué intentas que los estudiantes aprendan alrededor de esta idea?
B. ¿Por qué es importante para los estudiantes aprender esta idea?
C. ¿Qué más sabes sobre esta idea? (Lo que tú no vas a enseñar por ahora a
los estudiantes).
D. Dificultades y limitaciones conectadas a la enseñanza de esta idea.
E. Conocimiento acerca del pensamiento de los estudiantes que influye en tu
enseñanza de esta idea.
F. Otros factores que influyen en la enseñanza de esta idea.
G. ¿Qué procedimientos empleas para que los alumnos se comprometan con
la idea?
H. ¿Qué maneras específicas utilizas para evaluar el entendimiento o
confusión de los alumnos sobre la idea?
De aquí, las CoRes son una generalización de las respuestas del profesorado que
dan una visión global, expresada en forma de proposiciones, acerca del modo en
que los profesores enfocan la enseñanza de un tema y las razones respecto a
cómo lo van a hacer y por qué lo van a hacer de ese modo. También proporcionan
alguna comprensión de las decisiones que los profesores pueden tomar cuando
enseñan un tema, incluyendo los vínculos existentes entre el contenido, los
estudiantes y la práctica docente. Ahora bien, puesto que la información se
representa en forma de proposiciones, las CoRe dan una información limitada
sobre la comprensión de la experiencia de la práctica docente. Tal vez por ese
motivo, Mulhall, Berry y Loughran (2006) desarrollaron también los PaPeRs.
Los PaPeRs son explicaciones narrativas del CDC de un profesor para una pieza
particular de contenido científico. Cada PaPeR “desempaca” el pensamiento del
profesor alrededor de un elemento del CDC de ese contenido y está basado en
observaciones de clase y comentarios hechos por el profesor durante las
entrevistas en las cuales se desarrolla la CoRe.
En suma, los PaPeRs tratan de capturar la naturaleza holística y compleja del
CDC que no es posible conseguir con las CoRe. Por lo tanto, CoRe y PaPeRs son
dos representaciones complementarias del CDC de los profesores sobre la
enseñanza de un tema concreto.
4. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
4.1 Metodología descriptiva de la investigación
En este estudio documentamos y recogimos el CDC de ocho profesores que
imparten el tema de equilibrio químico. Cuatro de ellos maestros del bachillerato
de la Universidad Nacional Autónoma de México que enseñan el concepto en el
tercer año para alumnos que ya eligieron carreras de ingeniería, medicina, química
o ciencias biológicas. Y otros cuatro docentes de la Facultad de Química, que
imparten la asignatura de Cinética y Equilibrio para alumnos del tercer semestre
cualquiera de las cinco licenciaturas que se estudian en esa facultad: Ingeniería
Química (IQ), Química Farmacobióloga (QFB), Ingeniería Química Metalúrgica
(IQM), Química (Q) y Química en alimentos (QA).
Para documentar el CDC, se decidió usar la metodología propuesta por Loughran
y colaboradores (2004) debido no solo a las exitosas publicaciones basadas en
esta propuesta (Garritz, Porro, Rembado & Trinidad, 2007), sino a la sencillez y
claridad de la metodología. Con base en lo anterior, la investigación se conformó
de las siguientes etapas:
Etapa 1. Investigación bibliográfica de los últimos avances de la investigación
didáctica sobre el Conocimiento Didáctico del Contenido (CDC), su
recomendación y pertinencia en el diseño de secuencias de enseñanza-
aprendizaje y estudio de las propuestas existentes sobre el tema.
Etapa 2. Selección del grupo de profesores con los que se trabajaría, identificación
de los CoRes y toma de datos.
Etapa 3. Análisis de los CoRes de los profesores y diseño de los PaPeRs
Etapa 4. Análisis de los resultados y elaboración de conclusiones.
Como la secuencia de enseñanza-aprendizaje que se diseñó como tesina del
Máster asociado al Doctorado, estuvo pensada para la enseñanza en el
bachillerato y la licenciatura, se invitó a participar en esta investigación a cuatro
profesores de cada uno de dichos niveles educativos.
4.2 Los conceptos centrales
Una vez que los profesores aceptaron la invitación para participar en este estudio,
se programaron reuniones con cada grupo de docentes para que acordaran cuáles
eran para ellos las ideas principales para la construcción del equilibrio químico por
parte de los alumnos. El concepto de idea principal lo tomamos de Mulhall, Berry y
Loughran (2003):
"Entendemos por “conceptos centrales” los que están en el corazón del
entendimiento y la enseñanza de un tema particular; son los tópicos que forman
parte del conocimiento disciplinario, en los que acostumbras dividir la enseñanza
del tema en cuestión. La clave es que en ese conjunto de ideas estén reflejadas
nítidamente las más importantes del tema, incluido quizás alguno de sus
precedentes.
Para los profesores de bachillerato, las cuatro ideas centrales para la enseñanza
del equilibrio químico son:
1. Antecedentes: disoluciones y su concentración, reacción química y
estequiometría, y velocidad de reacción.
2. Reversibilidad y equilibrio dinámico
3. Constante de equilibrio (Kc)
4. Factores que modifican el equilibrio químico
A diferencia de los profesores de bachillerato, los de licenciatura acordaron las
siguientes cinco ideas centrales:
1. Espontaneidad, reversibilidad y equilibrio
2. Estequiometría y avance de reacción
3. Propiedades termodinámicas (S, G)
4.
5. Constante de equilibrio (K)
A pesar de que se les dio un plazo de dos meses a los maestros para que nos
enviaran sus CoRes, éste no se cumplió y hubo un profesor de licenciatura que
entregó el cuestionario ocho meses después, situación que significó un retraso
importante en el análisis de datos y la elaboración de las entrevistas que se
decidió serían las herramientas que jugarían el papel de los PaPeRs en este
estudio.
4.3 Los CoRe’s y su captura
Ya con esta información a la mano, los CoRe’s fueron construidos con cinco de las
ocho preguntas que propone Loghran y con las ideas centrales que cada grupo de
maestros acordó por consenso, eran los conceptos más importantes en la
construcción del equilibrio químico y que están listados en el apartado anterior.
Por otro lado, de las ocho preguntas que proponen Loughran, Berry y Mulhall
(2006), se seleccionaron cinco, ya que por estudios anteriores (Garritz, 2007,
2006), se ha visto que son las que proporcionan información más útil para el CDC.
Las preguntas son:
A. ¿Por qué consideras importante que los estudiantes aprendan este
concepto central y cuál es tu intención al enseñarlo?
B. ¿Cuáles son las dificultades y limitaciones relacionadas con el aprendizaje
de este concepto central?
C. ¿Cuáles son las dificultades y limitaciones relacionadas con la enseñanza
de este concepto central?
D. ¿Qué procedimientos o metodologías didácticas (analogías, metáforas,
ejemplos, demostraciones, reformulaciones, experimentos etc.) empleas
para que los alumnos identifiquen la importancia de este concepto central?
E. ¿De qué formas evalúas el aprendizaje de los alumnos sobre este concepto
central?
4.3.1 De los profesores de bachillerato
Tres de los profesores de bachillerato se eligieron por ser egresados de la
Maestría en Docencia de la Química (MADEMS-Química), que se imparte en la
Facultad de Química. El cuarto profesor no tiene maestría en docencia, pero si en
la disciplina. Los cuatro imparten la materia del último año del bachillerato
(alumnos de 18 años de edad) que contempla el estudio del equilibrio químico
(cuadro 4.1).
De esta forma, los CoRe’s , quedaron construidos de la siguiente manera; en el
cuadro 4.2 se presenta el formato para recabar los CoRe’s de los profesores de
bachillerato y en el cuadro 4.4 el correspondiente a los profesores de licenciatura.
Profesor Edad Experienciadocente
(años)
Formaciónprofesional
B-1
36 14 MaestríaenDidáctica(Química)
B-2
50 18 MaestríaenDidáctica(Química)
B-3
42 23 MaestríaenCienciasQuímicas
(QuímicaOrgánica)
B-4
51 28 MaestríaenDidáctica(Química)
Cuadro 4.1. Perfil de los docentes de bachillerato que participaron en el estudio.
4.3.2 De los profesores de licenciatura
Para conformar el grupo de profesores de licenciatura, invitamos al profesor más
joven y al más antiguo impartiendo la materia, los otros dos elegidos imparten la
materia desde hace más de cinco años. Aunque el genero no será una variable del
estudio, lamentamos que este grupo esté conformado por cuatro varones a
diferencia del de bachillerato que son dos mujeres y dos hombres (cuadro 4.3).
Nombre
Grado Académico
Edad
Experiencia Docente
(años)
Conceptos centrales
decididos en consenso Antecedentes Reversibilidad y equilibrio dinámico Constante de equilibrio (Kc)
Factores que modifican el
equilibrio químico
Por favor, contesta lo más extensamente posible, para cada uno de estos conceptos centrales, las siguientes preguntas:¿Por qué consideras
importante que los
estudiantes aprendan
este concepto central y
cuál es tu intención al
enseñarlo?
¿Cuáles son las
dificultades y
limitaciones
relacionadas con el
aprendizaje de este
concepto central?
¿Cuáles son las
dificultades y
limitaciones
relacionadas con la
enseñanza de este
concepto central?
¿Qué procedimientos o
metodologías didácticas
(analogías, metáforas,
ejemplos,
demostraciones,
reformulaciones,
experimentos etc.)
empleas para que los
alumnos identifiquen la
importancia de este
concepto central?
¿De qué formas evaluas
el aprendizaje de los
alumnos sobre este
concepto central?
Este cuestionario está diseñado para tratar de evaluar el conocimiento didáctico del contenido(CDC) de un grupo de profesores del nivel bachillerato, con
relación al tema de "equilibrio químico".
Cuadro 4.2. Cuestionario CoRe para los profesores de bachillerato.
Profesor Edad Experienciadocente
(años)
Formaciónprofesional
L-1
35 14 MaestríaenCienciasQuímicas
(Fisicoquímica)
L-2
50 18 DoctoradoenFisicoquímica
B-3
62 23 LicenciaturaenIngeniería
Química
B-4
67 28 Doctoradoenfisicoquímica
Nombre
Grado Académico
Edad
Experiencia Docente
(años)
Conceptos centrales
decididos en consenso
Espontaneidad, reversibilidad
y equilibrio
Estequiometría y avance de
reacciónPropiedades termodinámicas (S, G) Potencial químico (m) Constante de equilibrio (K)
Por favor, contesta lo más extensamente posible, para cada uno de estos conceptos centrales, las siguientes preguntas:¿Por qué consideras
importante que los
estudiantes aprendan
este concepto central y
cuál es tu intención al
enseñarlo?
¿Cuáles son las
dificultades y
limitaciones
relacionadas con el
aprendizaje de este
concepto central?
¿Cuáles son las
dificultades y
limitaciones
relacionadas con la
enseñanza de este
concepto central?
¿Qué procedimientos o
metodologías didácticas
(analogías, metáforas,
ejemplos,
demostraciones,
reformulaciones,
experimentos etc.)
empleas para que los
alumnos identifiquen la
importancia de este
concepto central?
¿De qué formas evaluas
el aprendizaje de los
alumnos sobre este
concepto central?
Este cuestionario está diseñado para tratar de evaluar el conocimiento pedagógico del contenido(CPC) de un grupo de profesores del nivel universitario, con relación al tema de "equilibrio
químico".
Cuadro 4.4. Cuestionario CoRe para los profesores de licenciatura.
Cuadro 4.3. Perfil de los docentes de licenciatura que participaron en el estudio.
4.4 Entrevistas, captura y análisis
Una vez recibidos los CoRes, se analizaron y con base en los resultados se
estructuró lo que sería el PaPeR para cada docente participante. A seis de ellos se
les diseñó una entrevista y a los restantes se les solicitó la entrega del material
didáctico que utilizan para la enseñanza del equilibrio químico en sus clases. Este
material se encuentra en los anexos y, en el siguiente capítulo se expondrán los
cuestionarios resueltos por los docentes.
5. RESULTADOS OBTENIDOS
5.1 Los CoRe’s de los maestros de bachillerato
Este cuestionario está diseñado para tratar de evaluar el conocimiento pedagógico del contenido(CPC) de un grupo de profesores del nivel universitario, con relación al tema de "equilibrio químico".
Clave del profesor B-I
Grado académico Maestría en Docencia (Química)
Edad (años) 36
Experiencia docente (años) 14
Conceptos centrales decididos
en consenso
Antecedentes (disoluciones y su
concentración, reacción química-estequiometría y
velocidad de reacción)
Reversibilidad y equilibrio dinámico
Constante de equilibrio (Kc) Factores que
modifican el equilibrio químico
Por favor, contesta lo más extensamente posible, para cada uno de estos conceptos centrales, las siguientes preguntas:
¿Por qué consideras importante que los estudiantes aprendan este concepto central y cuál es tu intención al enseñarlo?
Los antecedentes que se plantean no sólo son fundamentales para la comprensión del tema del equilibrio químico, sino que también son parte fundamental del currículo de la asignatura.
Parte de la comprensión del tema de reacción química implica tener conocimiento de la reversibilidad y del equilibrio. Además, este conocimiento permite comprender algunos procesos de la vida cotidiana, por ejemplo: la capa de ozono.
Este concepto es importante para que el alumno entienda no sólo cualitativa, sino también, cuantitativamente el concepto del equilibrio y dará pie para comprender cómo se pude modificar éste.
Conocer el tema de equilibrio, también implica saber qué factores le modifican, pues es parte de lo que el ser humano ha buscado en la historia de su desarrollo: comprender la naturaleza y manipularla.
¿Cuáles son las dificultades y limitaciones relacionadas con el aprendizaje de este concepto central?
En general, un problema subyacente al aprendizaje de estos temas es la cuestión de la nomenclatura que no dominan. Aunque, por lo general, los temas que implican cálculos
El concepto de reversibilidad es complicado en la medida en que es difícil para los estudiantes comprender que ocurren dos procesos simultáneos: han estado acostumbrados a que una reacción química ocurre en
Es frecuente que el cálulo de la constante sea sencillo para los estudiantes: sustituyen en una fórmula. Sin embargo, los problemas surgen al tratar de interpretar los resultados.
En el caso de los programas de la ENP, se pide que estos factores se analicen desde el punto de vista del Principio de Le Chatelier, lo cual hace muy confuso para los
(por ejemplo concentraciones molares o estequiometría) pueden subsanarse con ejercicios. El único problema de esto es el tiempo que debe dedicarse en detrimento de otros temas del programa de la asignatura.
una sola dirección. Por otro lado, la sola expresión "equilibrio" genera en ellos la idea de algo estático, por lo que hablar de "equilibrio dinámico" resulta complejo.
estudiantes este aprendizaje.
¿Cuáles son las dificultades y limitaciones relacionadas con la enseñanza de este concepto central?
Dado que este tema se da en Química IV, y los antecedentes se estudiaron en el año anterior, es casi imposible asegurar que los estudiantes han estudiado con detenimiento los temas necesarios para el abordaje del tema, por lo que casi siempre es necesario retomar los conceptos (si no es que abordarlos por primera vez), lo cual no es problemático, pero sí implica usar tiempo que teóricamente corresponde a otros temas del programa.
Como se ha mencionado, el que el estudiante tenga ideas alternativas arraigadas sobre la "unidreccionalidad" de las reacciones, dificulta el que haya un comprensión real de la reversibilidad, por otro lado, las lagunas de conocimiento en la nomenclatura química, o en el concepto y cálculo de concentraciones, pueden dificultar el abordaje del tema. Además, en el caso del programa de química IV, este tema esta propuesto para ser abordado en mucho menos de 10 horas de clase, de modo que si se está apegado a esa propuesta, resulta imposible hablar de una verdadera comprensión del tema.
En toda la enseñanza de la química a nivel bachillerato (y probablemente en otros también) la resolución de ejercicios algorítmicos ha predominado por encima del razonamiento, por lo que en este tema, el cálculo de la constante no implica mayor problema, todo lo contrario ocurre si se pretende que el alumno interprete el valor de K.
La enseñanza desde el punto de vista del Principio de Le Chatelier implica que los estudiantes tengan claros otros conceptos como por ejemplo: reacciones endotérmicas y exotérmicas, gases ideales,entre otros, por lo que si los estudiantes tienen carencias en estos conceptos previos, el abordaje de estos temas es difícil.
¿Qué procedimientos En general se hacen Se usa la analogía Se hacen ejercicios de cálculo Se hace un análisis de
o metodologías didácticas (analogías, metáforas, ejemplos, demostraciones, reformulaciones, experimentos etc.) empleas para que los alumnos identifiquen la importancia de este concepto central?
ejercicios y cuestionarios para indagar sus conocimientos. Posteriormente, se da un repaso que incluye la lluvia de ideas, ejemplos y nuevamente, la resolución de ejercicios en clase.
"transferencia de líquidos entre recipientes" y se dan ejemplos en clase. En el laboratorio se hacen experimentos en los que se puedan predecir fenómenos o formular hipótesis.
en diversas reacciones y se analizan los resultados con relación a la constante
diferentes situaciones donde se modifican las condiciones del equilibrio, haciendo uso de lecturas ("formación de estalactitas y estalagmitas", "capa de ozono", "monóxido de carbono y asfixia", etc.)
¿De qué formas evalúas el aprendizaje de los alumnos sobre este concepto central?
Esto se evalúa con los ejercicios y cuestionario previo.
Se evalúa mediante un examen escrito al final del tema. El examen comprende opción múltiple en el caso de aspectos conceptuales (reversibilidad, factores que afectan el equilibrio, etc.) y cálculos e interpretación de la constante de equilibrio.
Este cuestionario está diseñado para tratar de evaluar el conocimiento pedagógico del contenido(CPC) de un grupo de profesores del nivel universitario, con relación al tema de "equilibrio químico".
Clave del profesor B-II
Grado académico Maestría en Didáctica (Química) Edad (años) 50
Experiencia docente (años) 18
Conceptos centrales decididos
en consenso
Antecedentes (disoluciones y su concentración, reacción química-estequiometría y
velocidad de reacción)
Reversibilidad y equilibrio dinámico
Constante de equilibrio (Kc)
Factores que modifican el equilibrio químico
Por favor, contesta lo más extensamente posible, para cada uno de estos conceptos centrales, las siguientes preguntas:
¿Por qué consideras importante que los estudiantes aprendan este concepto central y cuál es tu intención al enseñarlo?
En mi caso sólo imparto clases en 6° año (Química Área I de la ENP-UNAM) por lo que los conceptos antecedentes de disoluciones y su concentración, reacción química y estequiometría (contenidos vistos en 5° año, según programa oficial de Química III) los trato como actividad de repaso, recuerdo (o visto por primera vez para algunos) al inicio del ciclo escolar. El concepto de velocidad de reacción es un contenido que se ve antes del de equilibrio químico, temas que se ven en la unidad dos del programa oficial de dicha asignatura. Mi intención es que el estudiante tenga las bases conceptuales para poder entender el equilibrio químico, concepto que considero de mayor complejidad.
Considero que no se entendería un proceso de equilibrio químico sin entender antes un proceso reversible. Mi intención es que el estudiante comprenda que en muchos sistemas se tienen procesos de reacción química reversibles que llegan a un equilibrio, es decir, que en este estado se tienen tanto productos como reactivos y que entre ellos hay una proporción definida, una relación de concentraciones, que se mantiene constante al paso del tiempo. Que de manera ininterrumpida
Este concepto refleja la proporcionalidad que se guarda entre la cantidad de producto(s) y la de reactivo(s). El entender que no precisamente las concentraciones de ambos deban ser iguales, sino constantes con respecto al tiempo. Claro que es igual de importante mencionar que el valor de esta constante sí es afectado con la variación de la temperatura, ya que esta propiedad ocasiona que las
Entender la importancia de que el sistema en equilibrio químico es susceptible de que en un momento dado pueda ser perturbado y que hay un efecto que hace que se restablezca dicho equilibrio. Es sorprendente para algunos alumnos saber que este proceso es propio del sistema.
se transforma el o los reactivos en producto(s), guardando la ya dicha proporción.
cantidades de reactivos y productos varíen.
¿Cuáles son las dificultades y limitaciones relacionadas con el aprendizaje de este concepto central?
Para la mayoría de los estudiantes el concepto de "Cantidad de sustancia" con su unidad "el mol" y luego relacionarla con su masa, con su volumen, etc. sigue siendo muy abstracto, y es mas, entender su relación en una reacción química les es igual de complicado; como ejemplo menciono que cuando ya he visto o repasado el tema y les pregunto una vez más que cuál es la masa de un mol, la mayoría me sigue diciendo que 6.022E23 o que 1 g (sin importar la sustancia) entonces a lo largo del curso refuerzo este tema para tratar de romper con esta concepción...otro ejemplo: al balancear una ecuación química les es muy difícil escribir coeficientes fraccionados pues lo que recuerdan muy bien de sus cursos anteriores es que no se pueden tener medias moléculas o átomos y no logran comprender que ahora estamos balanceando mol de esas moléculas y/o átomos y que fraccionarlo no implica tener partículas "destruidas". El problema con el concepto de concentración es que de inicio lo confunden mucho con la densidad, también tienen la idea de
En este caso, un problema muy común es que a los estudiantes les cuesta trabajo conceptualizar esa "reversibilidad", pues la interpretación que más les ajusta, a la que más recurren es que conciben que primero todo(s) el o los reactivos se convierten en producto(s) y una vez que todo es producto comienza la reacción inversa, es decir, se regresa todo a ser reactivo(s) otra vez. Se les dificulta comprender que la transformación antes descrita suceda al mismo tiempo una vez que el sistema de reacción haya alcanzado el equilibrio químico.
Respecto a este concepto, a los estudiantes se les dificulta aplicar la expresión con literales a una reacción química en específico, es decir, cuando uno explica una reacción de manera general utilizando "aA + bB" como reactivos en equilibrio químico con los productos "cC + dD", para luego con ellos escribir la expresión de la constante, los alumnos dicen "está bien" pero al solicitarles que lo apliquen a una reacción como la obtención de amoniaco a partir de hidrógeno y nitrógeno, me preguntan "¿cuál considero como A o como D?" y "es que usted escribió al inicio
Aquí los alumnos aceptan fácilmente que existen ciertos factores que puedan desequilibrar a un sistema, sin embargo, en el momento en el que se ve como afectan y como es que en el sistema se restablece el equilibrio es cuando surgen los conflictos cognitivos, especialmente cuando se trata de la temperatura y de la presión. Por ejemplo una pregunta común es: "Profe si se baja la temperatura (ellos lo relacionan con un proceso endotérmico) ¿cómo es que para recuperar el equilibrio se intensifica el sentido exotérmico de la reacción y al revés?", por lo que es importante comprobar que el estudiante no tenga problemas en entender lo que es un proceso exo o endotérmico y desde que punto de vista se emite tal clasificación, es decir, desde el sistema o alrededores. Con base en la presión, les
que si una disolución se fracciona cambia su concentración, mencionan que "como cambia la cantidad de soluto pues cambia la concentración" y no se percatan que también cambia el volumen de la disolución. En relación a la reacción química he observado que uno como profesor da por hecho que identifican perfectamente quienes son reactivos y quienes productos y la sorpresa es que no, por ejemplo si se les solicita: "escribe las estructuras de Lewis de los productos de tal reacción química", algunos escriben las estructuras de los reactivos, otros de todo (de los reactivos y productos) y sólo algunos logran cumplir con la tarea. También en ocasiones algunos alumnos siguen con la dificultad de diferenciar un proceso químico de un físico, por ejemplo mencionan que la transformación de agua líquida a gaseosa es una reacción química. Con base en la estequiometría, es el tema que más desconocen del curso anterior (Química III) y cuando lo veo en las clases de inicio de año, les empieza de inmediato a sonar "raro" el propio nombre, luego de lo que se trata, ya que se les dificulta comprender la proporcionalidad entre los productos y reactivos y que esto nos ayuda a predecir cantidades que
una reacción con dos reactivos y dos productos y en esta sólo hay un producto, entonces cómo le hago". Es difícil también que dejen de pensar que en el equilibrio químico las concentraciones de reactivos y productos son "siempre" iguales para todos los sistemas de reacción, es decir, no aceptan fácilmente el que haya la posibilidad de que en el equilibrio pueda haber más productos que reactivos y viceversa.
es complicado comprender su efecto pues deben razonar en función del total de los mol gaseosos en reactivos y en productos; entonces hay que hacer hincapié en que estos son conceptos que se complementan, es decir, que un factor "externo" tiene un efecto tal que hace que el sistema lo contrarreste.
se requieren de reactivo(s) y cantidades que se van a obtener de producto(s), por ejemplo.
¿Cuáles son las dificultades y limitaciones relacionadas con la enseñanza de este concepto central?
Para el docente es difícil hacer que el alumno perciba algo tan abstracto como lo es ese número de partículas para luego relacionarlo a lo que es el mol, y de aquí su relación con su masa, y aún más a la concentración de una disolución, ya que el estudiante no tiene medios palpables para hacerlo familiar a lo que el conoce, por ejemplo en laboratorio no tenemos un aparato que de una medida de mol, pero sí de masa, entonces es mucho lo que el alumno tiene que relacionar en su mente. Ya mencionada la concentración es importante recalcar que el docente debe insistir en que este concepto se trata de caracterizar una mezcla y no una sustancia, de aquí que el alumno lo confunda continuamente con la densidad, pues generalmente no hace la diferencia entre las unidades, que para ellos son parecidas. En lo que respecta a reacción química, a veces nos sorprendemos de que, como lo mencioné en el cuadro anterior, un alumno pueda concebir que la evaporación del agua sea una reacción química, reflexionemos, hay que pensar que el alumno se puede confundir por dos acciones muy
Considero que desde que escribo la doble flecha en una ecuación de reacción química para identificar un proceso reversible, puedo provocar que el estudiante piense que en un primer momento los reactivos se convierten totalmente en productos y luego en un segundo momento lo contrario, entonces es necesario precisarles la interpretación correcta para romper con este pensamiento. Esto es complicado para el profesor, ya que al alumno le satisface más esa idea (la del ir y venir de manera intermitente) que la del intercambio que se da al mismo tiempo.
El conflicto en este caso es que generalmente les presentamos la ecuación como algo terminado, algo que así es y ya, y entonces podemos provocar que al estudiante se le dificulte interpretarla, tanto para entender cómo se estructura su expresión como para saber que es lo que nos dice su valor. Si el estudiante tiene deficiencias básicas de matemáticas como es el concepto de proporcionalidad, de comprensión de ecuaciones con exponentes y de su aplicación a un caso en específico, el problema se agrava; por lo que se refuerzan, en lo posible, dichas carencias.
Este concepto también lo considero abstracto por lo complicado que resulta de entender lo que hace el factor externo para romper el equilibrio químico en el sistema y lo que hace el sistema para regresar a ese equilibrio. Entonces debemos conocer lo que nuestros alumnos están pensando cuando vemos el tema para que en ese momento se aclaren dudas y no dar por hecho que pensamos lo mismo, más en lo que respecta a la temperatura y la presión, según lo expuesto en el cuadro anterior.
comunes que hacemos: 1) les presentamos reacciones químicas que se producen con sólo calentar el sistema, por ejemplo la descomposición del carbonato de calcio en óxido de calcio y dióxido de carbono y 2) el dicho proceso de evaporación de agua lo representamos con flecha de reacción; ...y damos por sentado que el alumno lo integra y lo sabe diferenciar al igual que el docente. En lo que respecta a estequiometría, el conflicto más común es en el balanceo de la ecuación química pues confunden coeficientes con subíndices; entonces si notamos este error, es necesario hacer un alto y repasarlo, con el fin de no arrastrar esa concepción alternativa al momento de ver equilibrio químico.
¿Qué procedimientos o metodologías didácticas (analogías, metáforas, ejemplos, demostraciones, reformulaciones, experimentos etc.) empleas para que los alumnos identifiquen la importancia de este concepto central?
En un inicio hago preguntas que contestan los estudiantes de manera oral y aplico un cuestionario diagnóstico, el cual contesto en la siguiente sesión de la aplicación para tratar de que el grupo, en lo general, tenga las bases que considero importantes para el objetivo didáctico de entender posteriormente el equilibrio químico. Aplico problemas, de lápiz y papel, relacionados con cantidad de sustancia y concentración (mol/L). Repaso balanceo por óxido-
Expongo el tema, el cual conecto con los conceptos que veo al inicio del ciclo sobre reacción química y tipos de reacción. Realizo una pequeña presentación teatral con la ayuda de algunos alumnos: hago dos pequeños grupos de 3 o 4 personas, les indico que se enganchen de los brazos y que uno
Comento sobre la relación de la proporcionalidad que se genera entre reactivos y productos en una reacción química en equilibrio y como se puede representar por medio de la expresión de la constante de equilibrio. Se indica en que condiciones la
Exposición oral del tema. Planteamiento de situaciones donde los alumnos propongan lo que sucede en el sistema para restablecer el equilibrio. Proyección de película didáctica, en la que los estudiantes deberán contestar un cuestionario que previamente se les proporcionó. Participación oral de los estudiantes con el fin de concluir sobre lo
reducción y se resuelven ejercicios. Para el concepto de velocidad de reacción dejo que el estudiante busque la información con base en el programa de la asignatura, luego proyecto una película del tema y se lleva a cabo una práctica experimental en donde el tema central es -factores que afectan la velocidad de reacción.
o dos personas se intercambien de grupo y que no sean siempre las mismas, al inicio sólo se observa que cada quien va por su lado, que se chocan entre sí, sin embargo, poco a poco se van coordinando haciendo el intercambio más evidente y en ese instante le comento al resto del grupo que observen como en un momento dado no cambia el número de personas en uno u otro equipo a pesar del intercambio constante y que esto lo pueden lograr porque lo hacen a la misma "velocidad", entonces guío al grupo a que relacionen lo expuesto con los puntos importantes para definir el equilibrio químico.
constante tiene un valor mayor a 1, menor a 1 e igual a 1 y lo que esto significa, esto con la participación oral de los estudiantes. Después se hacen ejercicios en donde se debe desarrollar la expresión de la constante de equilibrios para diferentes reacciones químicas. Se aclara el efecto que hace la variación de la temperatura en el valor de la constante. Para Química IV Área I se acordó de manera general en un seminario interanual de la enseñanza (SADE), que el nivel de profundidad fuera el descrito en este apartado, es decir, no hacer ejercicios o problemas de cálculo matemático de la constante.
expuesto y el cuestionario de la película. Dependiendo de los tiempos del programa se planea una práctica de laboratorio, que generalmente no da tiempo de realizarla, ya que se prefiere para el área I, hacer prácticas sobre otros contenidos como lo son velocidad de reacción y/o electroquímica.
¿De qué formas evalúas el
Revisión del instrumento diagnóstico, de las participaciones de los alumnos,
Participación de los alumnos en la analogía
Registro de participaciones de los
Registro de participaciones de los alumnos y revisión del
aprendizaje de los alumnos sobre este concepto central?
de los problemas y ejercicios resueltos y de la búsqueda de información. Reporte de laboratorio.
del proceso de reversibilidad, tanto de los que la protagonizaron como de los que sólo observaron. Registro de conclusiones.
alumnos y revisión de los ejercicios.
cuestionario de la película. Reporte de laboratorio si es que se programó. Registro de conclusiones.
Este cuestionario está diseñado para tratar de evaluar el conocimiento pedagógico del contenido(CPC) de un grupo de profesores del nivel universitario, con relación al tema de "equilibrio químico".
Clave del profesor B-III
Grado académico Maestría en Ciencias Químicas (Química Orgánica) Edad (años) 42
Experiencia docente (años) 23
Conceptos centrales decididos
en consenso
Antecedentes (disoluciones y su
concentración, reacción química-estequiometría y
velocidad de reacción)
Reversibilidad y equilibrio dinámico
Constante de equilibrio (Kc)
Factores que modifican el equilibrio químico
Por favor, contesta lo más extensamente posible, para cada uno de estos conceptos centrales, las siguientes preguntas:
¿Por qué consideras importante que los estudiantes aprendan este concepto central y cuál es tu intención al enseñarlo?
Es necesario que los estudiantes tengan claro todos los aspectos de la reacción química, entre ellos, el equilibrio. Para lo cual es fundamental que los alumnos conozcan todos los antecedentes.
Muchos de los procesos que ocurren en la vida cotidiana de nuestros estudiantes se rigen por el equilibrio químico y la reversibilidad.
Para comprender el equilibrio químico, es necesario saber la magnitud de la constante, pues con ello nos podemos dar una idea de qué está pasando en el proceso a estudiar.
Muy importante, pues esto nos permitirá modificar o no, a nuestra conveniencia el sentido del equilibrio en una reacción.
¿Cuáles son las dificultades y limitaciones relacionadas con el aprendizaje de este concepto central?
El tema de reacción química, como antecedente del equilibrio químico, al igual que la nomenclatura y la estequiometría son complicados para los alumnos.
Se considera el equilibrio como estático y no como dinámico. Es difícil para los alumnos comprender que es dinámico. Con respecto a la reversibilidad no hay problema, pues eso lo podemos verificar con experimentos de laboratorio.
Ninguna Ninguna
¿Cuáles son las dificultades y limitaciones relacionadas con la enseñanza de este concepto central?
¿Qué procedimientos o metodologías didácticas (analogías, metáforas, ejemplos, demostraciones, reformulaciones, experimentos etc.) empleas para que los alumnos identifiquen la importancia de este concepto central?
Cuestionario exploratorio y experimentos que inducen al concepto de equilibrio, como por ejemplo la dimerización de óxido nítrico.
Experimento de la transformación de cromato de potasio a dicromato de potasio.
Ejercicios de escritura de la expresión de la constante de equilibrio y cálculos de la constante de equilibrio.
Ejercicios y práctica de laboratorio.
¿De qué formas evalúas el aprendizaje de los alumnos sobre este concepto central?
Resolución de ejercicios Examen práctico experimental
Examen Examen
Este cuestionario está diseñado para tratar de evaluar el conocimiento pedagógico del contenido(CPC) de un grupo de profesores del nivel universitario, con relación al tema de "equilibrio químico".
Clave del profesor B-IV
Grado académico Maestría en Docencia (Química)
Edad (años) 51
Experiencia docente (años) 28
Conceptos centrales decididos
en consenso
Antecedentes (disoluciones y su
concentración, reacción química-estequiometría y
velocidad de reacción)
Reversibilidad y equilibrio dinámico
Constante de equilibrio (Kc) Factores que modifican el
equilibrio químico
Por favor, contesta lo más extensamente posible, para cada uno de estos conceptos centrales, las siguientes preguntas:
¿Por qué consideras importante que los estudiantes aprendan este concepto central y cuál es tu intención al enseñarlo?
Sin los antecedentes los estudiantes presentarán mayores dificultades en la comprendión y construcción del concepto de equilibrio. Es importante que manejen conceptos como: reacción química y su estequiometría, concentración, velocidad de reacción.
Es importante que el alumno caracterice el estado de equilibrio químico como un proceso reversible, donde la concentración de R (reactivos) y P (productos) se mantienen con el tiempo (nivel macroscópico) y donde la formación de Reactivos a Productos y de Productos a Reactivos, se lleva a cabo a la misma velocidad continuamente (nivel nanoscópico). Cuando se enseña el tema de manera habitual, la caracterización de este estado no es clara, provocándose en el alumno una serie de concepciones alternativas en torno al tema.
Saber expresar la constante de equilibrio (Keq) y cómo se calcula ayudará al alumno a saber las concentraciones de las sustancias presentes en un equilibrio determinado. También es importante la interpretación de los valores de la constante de equilibrio y la predicción de diversos equilibrios en la naturaleza y en la industria.
La observación de la reversibilidad de las reacciones sólo se hace visible experimentalmente, cuando se modifican las condiciones como la temperatura, concentración, etc.; es necesario hacer estos cambios. Además, aterrizar la aplicación de los diversos equilibrios que se pudieran presentar, es importante para que el conocimiento adquirido sea útil.
Es importante que el alumno haga uso del modelo cinético molecular, para explicar, a nivel nanoscópico, la naturaleza dinámica y la igualdad de velocidades en uno y otro sentido de la reacción.
¿Cuáles son las dificultades y limitaciones relacionadas con el aprendizaje de este concepto central?
Diversos, dado la cantidad de conceptos requeridos. Por ejemplo: el concepto de reacción química completa e irreversible puede dar lugar a una falsa idea de las reacciones reversibles. Generalmente relacionan los cambios físicos como reversible y los químicos como irreversibles.
La abstracción y complejidad de los conceptos es muy alta. Para aprender equilibrio el alumno debe tener un desarrollo cognitivo formal avanzado. Algunos alumnos tienen ciertas deficiencias en cuanto a los conceptos que previamente debe tener para aprender el tema y aunque son pocas las ideas previas en torno al tema, ya que es la primera vez que el alumno tiene que ver con la enseñanza de este tema. Sin embargo, lo que puede llegar a afectar en el estudio del tema son su idea acerca del equilibrio mecánico y el lenguaje cotidiano, que considera al equilibrio con igualdad, y que lo transfiere a igualdad de concentraciones. Debemos ser concientes de que debemos hacer accesible el concepto, dado su grado de
Si es enseñado como un algoritmo aislado, puede provocar problemas serios en el análisis cualitativo. La poca experiencia con el manejo de constante o falta de entendimiento de este tipo de expresiones
Dificultades en el lenguaje matemático y en la estequiometría. La forma en que los libros de texto tratan el principio. La falta de comprensión de conceptos asociados a la aplicación.
dificultad. Buscar métodos adecuados a lograrlo, los profesores muchas eces no somos concientes de ésto.
¿Cuáles son las dificultades y limitaciones relacionadas con la enseñanza de este concepto central?
Una inadecuada construcción de los conceptos, falta de conexión entre conceptos, falta de secuenciación lógica y aplicación.
No tener conocimiento de las dificultades que pudiera tener el alumno en la construcción de los conceptos.Subestimar el grado de dificultad y abstracción de los conceptos asociados. No utilizar recursos suficientes (simuladores, imágenes, ejemplos, etc.) ni hacer uso de las diversas formas de abordar el concepto.
Enseñar de forma tradicional, sólo resolviendo ejercicios. No contextualizar ni dar significado al valor numérico, no problematizar.
Enseñar a "identificar" si el equilibrio se desplaza "a la derecha" o a la "izquierda" en lugar de hcer un análisis de lo que sucede en un sistema en equilibrio. Sólo se memoriza una regla que marca un "reconocimiento". No se hace pensar, ni razonar y mucho menos a resolver un problema.
¿Qué procedimientos o metodologías didácticas (analogías, metáforas, ejemplos, demostraciones, reformulaciones, experimentos etc.) empleas para que los alumnos identifiquen la importancia de este concepto central?
El uso de la analogía de los recipientes de agua es una forma muy conveniente para acercar al alumno al concepto de reversibilidad. Se hacen experimentos con sales como cromato o dicromato de potasio para cambiar de un senido a otro la reacción, hacer visible la reversiblidad con este tipo de sistemas. El uso de simuladores para comprender, con modelos moleculares, el equilibrio dinámico, es de mucha ayuda.
Una de las caracterísicas del estado de equilibrio es la constancia de concentraciones, se parte de aquí para utilizar la constante de equilibrio. Se hacen ejercicios en los que se exprese la constante de equilibrio a partir de la correspondiente ecuación química, se calcula el valor de la constante y las concentraciones de las sustancias presentes en un equilibrio determinado. También es importante el análisis y la interpretación de los valores de la constante de
Se realizan otros experimentos donde el alumno analiza de qué manera se puede modificar un estado de equilibrio y qué factores están involucrados en ello. Volvemos a usar el sistema de cobalto para alterar el equilibrio modificando la temperatura. También se utiliza la reacción con KSCN y iones Fe3+ para ver el efecto de la concentración.Es importante resaltar que una vez que es alterado el equilibrio, éste se reestablece en las nuevas condiciones.
equilibrio, ¿qué es lo que representa el vlor numérico de la constante de equilibrio? y las sustancias que predominan en una reacción química específica.
¿De qué formas evalúas el aprendizaje de los alumnos sobre este concepto central?
No hago una evaluación de los antecedentes porque previamente se revisan los conceptos en una unidad temática anterior (cinética química) y durante el desarrollo del curso se van ejercitando en la escritura de fórmulas y su estequiometría.
Resolución de ejercicios en el cuadernillo de trabajo, revisión y retroalimentación. Resolución de un cuestionario.
Resolución de un cuestionario de forma personal.
Desarrollo de un cartel que involucre el análisis de situaciones donde deba modificarse el equilibrio (análisis cuanti y cualitativo). Por ejemplo: el caso de la hiperventilación, la destrucción del arrecife de coral, el equilibrio entre el ozono y el oxígeno. Trabajo colaborativo.
5.2 Los CoRe’s de los maestros de licenciatura
Este cuestionario está diseñado para tratar de evaluar el conocimiento pedagógico del contenido(CPC) de un grupo de profesores del nivel universitario, con
relación al tema de "equilibrio químico".
Clave del profesor L-I
Grado académico Maestría en Ciencias Químicas (Fisicoquímica) Edad (años) 35 Experiencia docente
(años) 9
Conceptos centrales
decididos en consenso
Espontaneidad,
reversibilidad y
equilibrio
Estequiometría y
avance de reacción
Propiedades
termodinámicas (S,
G)
Constante de
equilibrio (K)
Por favor, contesta lo más extensamente posible, para cada uno de estos conceptos centrales, las siguientes preguntas:
¿Por qué consideras
importante que los
estudiantes aprendan
este concepto central y
cuál es tu intención al
enseñarlo?
Importante para predecir
el comportamiento de un
sistema y la dirección el
la que evolucionará el
mismo cuando es
sometido a un proceso
físico o químico, y las
condiciones en las que
dicho proceso es más
favorable. Asimismo es
primordial que los
alumnos comprendan el
significado del equilibrio
termodinámico: equilibrio
térmico, mecánico y
material (equilibrio de
fases y equilibrio
químico).
La estequiometría es la
base de la ley de las
proporciones definidas
y múltiples de tal
manera que se puede
conocer la proporción
en la que se combinan
los elementos y se
aplica la ley de la
conservación de la
materia y la
conservación de la
carga eléctrica.
La variación de estas
propiedades permite
determinar y
cuantificar si el
proceso físico o
químico es o no
espontáneo o bien si el
sistema y alrededores
se encuentran en
equilibrio
termodinámico.
Además, permite
comparar qué tan
espontáneo es un
proceso con respecto a
otro para el mismo
sistema en diferentes
condiciones.
Es importante porque
todo el fundamento y
modelado termodinámico
aplicado a los procesos
químicos se lleva a cabo a
través del potencial
químico a temperatura y
presión constantes. La
relación de esta propiedad
intensiva con la variación
de la energía de Gibbs de
la reacción es importante
porque esta última se
aplica como criterio de
espontaneidad y
equilibrio.
Es importante
porque el
concepto de
constante de
equilibrio está
basado en la ley
de acción de
masas y
relacionado con
el equilibrio
termodinámico,
lo cual es
aplicado a
reacciones no
cuantitativas. A
través de la
constante de
equilibrio se
puede
cuantificar la
cantidad de
productos y
reactivos
presentes y las
perturbaciones
externas que lo
puedan
modificar.
¿Cuáles son las
dificultades y
limitaciones
relacionadas con el
aprendizaje de este
concepto central?
Los conceptos de
espontaneidad, equilibrio
y sobretodo reversibilidad
son abstractos y encontrar
ejemplos que los
muestren de forma clara
no es sencillo.
Que los alumnos no
tienen clara la
aplicación de las leyes
de las proporciones
definidas y de las
proporciones múltiples
que aprendieron en sus
cursos de química
general.
Los conceptos de G y
S como funciones de
estado y sus
variaciones son
abstractos y resulta
difícil de proporcionar
ejemplos que permitan
entender su significado
físico.
El potencial químico es
un concepto que resulta
muy abstracto para los
alumnos ya que resulta
difícil proponer ejemplos
para que los alumnos
interpreten su significado
fisicoquímico.
Las limitaciones y
dificultades son la
estequiometría de
la reacción
(aplicación de la
ley de las
proporciones
definidas y ley la
de las proporciones
múltiples),
nomenclatura
química y
comprender el
significado del
equilibrio
termodinámico, e
interpretación de la
relación de la
constante de
equilibrio con la
variación de la
energía de Gibbs.
¿Cuáles son las
dificultades y
limitaciones
relacionadas con la
enseñanza de este
Los conceptos de
espontaneidad, equilibrio
y sobretodo reversibilidad
no es fácil transmitir su
significado físico a los
Que para retomar el
tema de
estequiometría, los
alumnos no tienen
claro o no dominan los
No existen ejemplos
sencillos que muestren
de manera clara la
interpretación y
significado físico de
No existen ejemplos
sencillos que muestren de
manera clara la
interpretación y
significado fisicoquímico
Mostrar ejemplos
que relacionen a la
constante de
equilibrio con los
potenciales
concepto central? alumnos debido a ideas
previas erróneas o
preconcebidas.
temas de nomenclatura
química, el balanceo
de ecuaciones
químicas empleando
algún método,
soluciones y las
formas de expresar
concentración.
estas funciones de
estado y sus
variaciones como
criterios de
espontaneidad y
equilibrio. Es difícil
hacer comprender a los
alumnos el significado
del equilibrio
termodinámico.
del potencial químico
como propiedad intensiva
de una especie química en
el seno de una reacción,
ya que resulta ser un
concepto muy abstracto.
termodinámicos
(ΔG, ΔH, ΔS) y su
interpretación
fisicoquímica de tal
manera que se
pueda predecir el
comportamiento de
dicho proceso
químico.
¿Qué procedimientos o
metodologías didácticas
(analogías, metáforas,
ejemplos,
demostraciones,
reformulaciones,
experimentos etc.)
empleas para que los
alumnos identifiquen la
importancia de este
concepto central?
Se propone para los
alumnos material
didáctico como
animaciones, videos o
experiencias de cátedra
que muestren los que es
un proceso espontáneo y
la condición de equilibrio
termodinámico, como por
ejemplo una reacción
química, una transición de
fase, la expansión o
compresión de un gas, etc.
Se les pide a los alumnos
que ellos piensen en
ejemplos de la vida
cotidiana incluso, donde
se apliquen estos
conceptos de
espontaneidad,
reversibilidad y
equilibrio.
Se propone para los
alumnos material
didáctico como
animaciones, videos,
experiencias de cátedra
y problemas que en
donde se apliquen
estos conceptos en
reacciones químicas
que ellos conocen
desde el laboratorio de
química general. Por
ejemplo, reacciones
ácido-base, de
formación de un
complejo, redox, de
precipitación haciendo
énfasis en algunas que
son de interés
industrial.
Se propone para los
alumnos material
didáctico como
animaciones, videos o
experiencias de cátedra
que muestren
diferentes procesos y
sistemas bajo ciertas
condiciones en donde
se les pide a los
alumnos que los
analicen y los
describan de forma
cualitativa y
cuantitativa de tal
manera que conozcan
la diferencia entre un
proceso espontáneo y
no espontáneo o bien
las características de
un sistema en
equilibrio
termodinámico.
Se propone para los
alumnos material
didáctico como
animaciones o videos
donde se muestre el
cambio neto en ΔG y su
relación con los
potenciales químicos de
las especies químicas
reaccionantes.
Se presentan a los
alumnos
experiencias de
cátedra de
reacciones
químicas que ya
estudiaron en
química general en
donde se pueda
aplicar el Principio
de Le Châtelier
(análisis cualitativo
del equilibrio
químico) para
mostrar el efecto de
las perturbaciones
térmicas o
mecánicas, adición
de un catalizador,
un inerte o la
adición o
sustracción de un
reactivo o producto
y su efecto en el
equilibrio químico.
Asimismo, se les
proporcionan
animaciones de
otros ejemplos de
otras reacciones
químicas en donde
se muestren los
mismos efectos.
¿De qué formas evalúas
el aprendizaje de los
alumnos sobre este
concepto central?
Se proponen ejemplos de
sistemas en ciertas
condiciones, así como
procesos que son parte de
la vida cotidiana tales que
los alumnos analicen si el
proceso es o no
espontáneo, si el proceso
es reversible o no, o bien
si el sistema bajo ciertas
condiciones se encuentra
o no en equilibrio
termodinámico.
Se llevan a cabo
problemas en clase de
reacciones químicas de
interés industrial o de
la vida cotidiana y se
les asigna una serie de
ejercicios donde
apliquen la
estequiometría,
preparación de
soluciones, diferentes
formas de expresar
concentración, y donde
se involucren
reacciones químicas en
fase homogénea (gases
y soluciones líquidas)
y heterogénea
(formación de un
precipitado o
desprendimiento de un
gas).
Se proponen
problemas y ejercicios
para los alumnos de
procesos físicos y
químicos en donde se
calculen las
variaciones de G y S,
para que los alumnos
las interpreten
físicamente. Se
presentan videos y
experiencias de cátedra
con la intención de que
los alumnos infieran
qué signo tienen las
variaciones de S y G y
lo interpreten
físicamente.
Se proponen problemas y
ejercicios para los
alumnos de procesos
químicos en donde se
calculen las variaciones
de G de la reacción,
empleando datos de
potenciales químicos
informados en la literatura
y la estequiometría de la
reacción. Además, se les
solicita que interpreten el
signo de la variación de G
de la reacción, haciendo
énfasis que en el
equilibrio: ∑νiµi = ΔG = 0
Se proponen
problemas y
ejercicios para los
alumnos de
procesos químicos
en donde se
calculen las
variaciones de G de
la reacción y se
determina la
constante de
equilibrio para
obtener la
concentración de
cada una de las
especies químicas
al equilibrio
(análisis
cuantitativo del
equilibrio químico).
Este cuestionario está diseñado para tratar de evaluar el conocimiento pedagógico del contenido(CPC) de un grupo de profesores del nivel universitario, con relación al tema de "equilibrio químico".
Clave del profesor L-II
Grado Académico
Doctorado en Fisicoquímica
Edad 50
Experiencia Docente (años)
12
Conceptos centrales
decididos en consenso
Espontaneidad, reversibilidad y equilibrio
Estequiometría y avance de reacción
Propiedades termodinámicas
(S, G)
Potencial químico
()
Constante de equilibrio (K)
Por favor, contesta lo más extensamente posible, para cada uno de estos conceptos centrales, las siguientes preguntas:
¿Por qué consideras importante que los estudiantes aprendan este concepto central y cuál es tu intención al enseñarlo?
Estos son conceptos claves de la termodinámica. El entendimiento de estos conceptos permiten al estudiante no solo comprender equilibrio químico como también diversos otros que tienen una base común.
En principio, los estudiantes llegan al curso con conocimiento de estequiometría. En mis cursos la preocupación es formalizar la estequiometría para definir avances de reacción, variable clave que facilita la solución cuantitativa de problemas de EQ
Los potenciales termodinámicos permiten definir los estados de equilibrio a partir de sus extremos (máximo o mínimo) y el sentido espontáneo de los procesos de acuerdo a las condiciones con que se llevan a cabo.
Es la variable clave para el entendimiento de los procesos de transporte de materia, del equilibrio material y del equilibrio químico
Cuantitativamente permite el cálculo de las concentraciones de equilibrio y cualitativamente permite visualizar el sentido espontáneo y predecir avances de reacción (reacción cuantitativa, favorecida, etc.)
¿Cuáles son las dificultades y limitaciones relacionadas con el aprendizaje de este concepto central?
El lenguage. Equilibrio, espontaneidad y reversibilidad son palabras que se usan de forma diferente dependiendo del contexto, incluso en otras ramas científicas (por ejemplo, reacciones reversibles, que en realidad no son procesos reversibles)
La forma previa con que los estudiantes aprenden estequiometrías (reglas de tres).
Muchas variables y muchas representaciones termodinámicas para un mismo fenómeno. La dificultad es entender la utilidad de cada una de estas y saber en que condiciones son apropiadas uno u otro potencial termodinámico.
Es una variable no medible, con un significado intuitivo poco claro, que nace de una definición puramente matemática.
La confusión en la definición versus su relación con las actividades, ie, muchos estudiantes la ven como una relación de concentraciones (actividades) y no como un número relacionado a las energías de Gibbs de los estados de referencia.
¿Cuáles son las dificultades y limitaciones relacionadas con la enseñanza de este concepto central?
Eliminar las ideas intuitivas de los estudiantes sobre el significado coloquial de estas palabras, poniendolas en el contexto de la termodinámica
No veo mucha dificultad en la enseñanza de estos conceptos. Son fáciles para los estudiantes.
La forma con que son enseñadas previamente a mis cursos, desunificadas, sin una coherencia lógica.
Dar un significado físico claro, no matemático
El entendimiento de lo que son los estados de referencia.
¿Qué procedimientos o metodologías didácticas (analogías, metáforas, ejemplos, demostraciones, reformulaciones, experimentos etc.) empleas para que los alumnos identifiquen la importancia de este concepto
Contraste entre los significados comunes de estas palabras y su significado en termodinámica.
Presentación de reacciones donde los estudiantes saben resolver los problemas estequiométricos y formalizar el conocimiento previo.
Experimentos mentales con procesos fáciles, en conjunto con la combinación de las dos primeras leyes de la termo.
Deducción matemática y experimentos mentales, analogías con temperatura (transferencia de calor) y presión (transferencia de trabajo mecánico). El potencial químico juega el mismo papel son que para procesos de transferencia de materia.
Demostración y énfasis en la definición de los estados de referencia para su determinación.
central?
¿De qué formas evaluas el aprendizaje de los alumnos sobre este concepto central?
Preguntas conceptuales
Problemas numéricos utilizando datos experimentales
Preguntas conceptuales
Preguntas conceptuales
Problemas numéricos
Este cuestionario está diseñado para tratar de evaluar el conocimiento pedagógico del contenido(CPC) de un grupo de profesores del nivel universitario, con relación al tema de "equilibrio químico".
Clave del profesor L-III
Grado Académico
Licenciatura en Ingeniería Química
Edad 62 Experiencia Docente
(años) 39 Conceptos centrales
decididos en consenso
Espontaneidad, reversibilidad y
equilibrio
Estequiometría y avance de reacción
Propiedades termodinámicas (S,
G)
Potencial químico
()
Constante de equilibrio (K)
Por favor, contesta lo más extensamente posible, para cada uno de estos conceptos centrales, las siguientes preguntas:
¿Por qué consideras importante que los estudiantes aprendan este concepto central y cuál es tu intención al enseñarlo?
En la naturaleza ocurren muchos fenómenos (químicos), algunos de manera espontánea en tanto que otros los forzamos a que ocurran atendiendo a un interés particular. Es de un gran interés conocer las condiciones en que pueden ocurrir espontáneamente, así como la extensión del proceso, hasta alcanzar la condición de equilibrio y los cambios necesarios en las variables que lo afectan para modificar el estado de equilibrio a nuestra conveniencia.
Para poder precisar las condiciones de equilibrio es necesario tener una idea clara de lo que es la estequiometría de una reacción así como entender lo que significa el avance de la reacción, magnitud que no cambiará cuando se haya alcanzado el equilibrio, a menos de que se modifiquen las condiciones. Si no se tieneclaro el concepto de estequiometría, no es posible abordar el tema de equilibrio.
Establecer si un proceso es viable bajo las condiciones en que se presenta, es fundamental.¿Qué es lo que hace que un proceso ocurra? ¿Qué puedo medir para establecer si es factible que ocurra el proceso bajo esas condiciones? ¿En qué condiciones puedo recurrir a uno u otro?... La intención es que los alumnos comprendan que existe algo que puedo evaluar (los potenciales termodinámicos), que me permitirá dar respuesta a las
Es una magnitud que les va a permitir plantear las situaciones de equilibrio tanto físico como químico.
Es un concepto de gran relevancia. Poder calcularla es conocer los alcances de una reacción que llega al equilibrio. Su relación con los productos reactivos es crucial para conocer los rendimientos (alcances de una reacción).
preguntas planteadas.
¿Cuáles son las dificultades y limitaciones relacionadas con el aprendizaje de este concepto central?
Uno de los aspectos que dificultan el aprendizaje de este concepto es precisamente la idea de alcanzar una condición de equilibrio en la que no todos los reactivos se han consumido aún cuando se hayan puesto en la proporción estequiométrica. Situación que se acentúa si la proporción no es estequiométrica dando lugar a la aparición del reactivo limitante.
En tanto se mantienen las condiciones estequiométricas y la reacción es cuantitativa, el problema se limita a manejar correctamente las proporciones. Sin embargo, al considerar un avance distinto del 100%, se les complica el cálculo de las cantidades tanto de reactivos y productos en condición de equillibrio, situación que se agrava si existe un reactivo limitante.
Una de las principales limitaciones para el aprendizaje y comprensión de este concepto central se encuentra en la capacidad de abstracción de los alumnos, que al proponerles la existencia de propiedades "no tan tangibles" como pueden ser presión, volumen y temperatura, les da la impresión de estar haciendo cálculos mecánicos pero sin tener una idea clara de lo que estan calculando.
Nuevamente, una de las principales limitaciones para el aprendizaje y comprensión de este concepto se encuentra en la capacidad de abstracción de los alumnos,
En un enfoque, el tradicional de química general, las dificultades relacionadas con este concepto están influídas por las de los conceptos de estequiometría, avance de reacción y el cálculo de las propiedades termodinámicas S y G. Nuevamente uno de las limitaciones es el manejo adecuado de las matemáticas (cálculo, álgebra, logaritmos).
¿Cuáles son las dificultades y limitaciones relacionadas con la enseñanza de este concepto central?
Antes de abordar este tema, para el alumno las reacciones son cuantitativas, esperando que los reactivos se consuman en su totalidad durante una reacción. Para algunos resulta difícil (o muy dificil), creer lo que el maestro está exponiendo, indicando que no todos los reactivos se consumen.
Una de las principales dificultades para este concepto es el manejo correcto de las proporciones y su inetrpretación correcta en una ecuación química… por ejemplo en la reacción de formación del NH3, una forma de representarla es: N2 + 3 H2 => 2 NH3, en un problema donde las presiones parciales de
El planteamiento de "propiedades" que no son tangibles y que requieren además de un manejo adecuado de las matemáticas, especificamente del cálculo diferencial e integral. En algunos casos la situación se complica aún más si el manejo del álgebra y logaritmos es
Se requiere, además de un manejo adecuado de las matemáticas, especificamente del cálculo integral y de ecuaciones diferenciales. En algunos casos la situación se complica aún más si el manejo del álgebra y logaritmos es
En lo operativo, con frecuencia, las dificultades y limitaciones en torno a este tema derivan del programa de estudio de la materia, en el que los temas propuestos exceden a los tiempos que se han asignado a cada tema. En lo académico, principalmente en la necesidad de estar corrigiendo las deficiencias
reactivos se encuenrtran en proporción estequiométrica, se tiene que: la presión pacial del H2 es el triple de la del N2 (PH2 = 3 PN2). El alumno suele confundirse y lo expresa como PN2 = 3 PH2, tal como están los coeficientes estequiométricos en la ecuación química.
deficiente. deficiente. académicas de los alumnos (química general, física y matemáticas)
¿Qué procedimientos o metodologías didácticas (analogías, metáforas, ejemplos, demostraciones, reformulaciones, experimentos etc.) empleas para que los alumnos identifiquen la importancia de este concepto central?
Para la exposición de este tema, como antecedente les recuerdo otros fenómenos en los que se alcanza también una conidción de equilibrio y que seguramente ya conocen, como es el caso del contacto térmico entre dos cuerpos con diferente temperatura en los que gracias a esa diferencia ocurre la transferencia de energía en forma de calor y que se alcanza una condición en la que la temperatura de ambos cuerpos se igualan y deja de fluir la energía en forma de calor. Otra analogía que funciona bastante bien es la de los vasos comunicantes, especialmente cuando son de diferente diámetro; incialmente todo el fluido (reactivos) en uno de los vasos, que al abrir la llave que permite el flujo entre ellos permite el desplazamiento del líquido hasta alcanzar la misma altura en ambos vasos (reactivos y productos ambos presentes al mismo tiempo bajo ciertas condiciones que ya no cambian). En ambas
Utilizo una analogía que funciona espléndidamente para el manejo de las proporciones entre las especies participantes, incluso considerando que no se encuentren en proporción estequiométrica, es decir con alguno(s) de los reactivos en menor proporción y que les hace ver de manera clara y sencilla lo que es la estequiometría y el concepto de reactivo limitante... "Considere la estequiometría de la siguiente reacción.... 2 P + 3 J + 2 Q + 3 T + 4 C => S". ¿Qué pasa si se toman 10 P + 13 J + 11 Q + 14 T + 19 C y la reacción ocurre hasta consumir el reactivo limitante? ¿Cuál es el reactivo limitante? ¿Cuánto de S se obtiene? ¿Cuánto queda de cada reactivo?.... y para complicarla más... ¿que pasa si por alguna razón la reacción avanza sólo hasta que se han consumido 6 P?... Nuevamente...¿Cuánto de S se obtiene? ¿Cuánto queda de cada reactivo?... Así, las cosas parecen un
En cuanto a la entropía, una primera presentación es resultado del estudio del Ciclo de Carnot (presentación tradicional), y la resolución de problemas en los que se aprecian los aumentos de la entropía en aquellos procesos físicos que ocurren de manera espontánea bajo ciertas condiciones. En este punto resulta muy importante evaluar tanto las variaciones de la entopía como la de los alrededores, particularmente en aquellos procesos en los que el criterio de la entropía resulta insuficiente para determinar la dirección del proceso. Al cambiar las condiciones se plantea la necesidad de otra propiedad que responda adecuadamente bajo las nuevas condiciones, sin tener que recurrir al cálculo de ésta en los alrededores (energía de Gibbs). Al hacer el
Esta parte requiere de un repaso de matemáticas, especificamente del planteamiento y manejo de las ecuaciones diferenciales. La resolución de problemas en los que se involucran varias fases ayuda a comprender mejor el concepto.
Hay un buen número de reacciones que son conocidas por los alumnos sólo desde el punto de la química general. Hacer una presentación secuenciada que conduzca desde el punto de vista de la fisicoquímica al establecimiento de la constante de equilibrio ha despertado el asombro e inteés por parte de los alumnos, que hasta antes de esto, el cálculo de la constante de equilibrio lo realizaban de manera dogmática: "Productos entre reactivos"
analogías, el "flujo" se detiene en algún punto (equilibrio), cuando se iguala en ambos sistemas una "propiedad", que es la que determina la "condición de equilibrio".
tanto confusas, sin embargo cuando se les dice a los alumnos que la proporción para elaborar un "S" (sandwich) es " rebanadas de pan, 3 de jamón, 2 de queso, 3 de tomate y 4 de cebolla, el panorama se les aclara y pueden responder fácilmente cuál es el reactivo limitante, y cuánto queda de cada uno de los componentes para elaborar los sandwiches en los dos casos mencionados anteriormente.
planteamiento de estas propiedades como criterios de espontaneidad, se aborda también el de equilibrio, que conduce, en el caso de las reacciones químicas, al establecimiento de la constante de equilibrio.
¿De qué formas evaluas el aprendizaje de los alumnos sobre este concepto central?
Se evalúa con la resolución de problemas en los que se pregunta cuáles serían las cantidades de productos y reactivos en una reacción que alcance la condición de equilibrio.
Se evalúa con la resolución de problemas en los que se pregunta cuáles serían las cantidades de productos y reactivos en una reacción que alcance un avance determinado o la condición de equilibrio.
Se evalúa con la resolución de problemas en los que se pregunta cuáles serían las cantidades de productos y reactivos en una reacción que alcance la condición de equilibrio, su relación con la entalpía y la entropia
Se evalúa con la resolución de problemas en los que se pregunta cuáles serían las cantidades de productos y reactivos en reacciones homogéneas y heterogéneas que alcancen la condición
Se evalúa con la resolución de problemas en los que se pregunta cuáles serían las cantidades de productos y reactivos en reacciones homogéneas y heterogéneas que alcancen la condición de equilibrio.
de la reacción, así como con la constante de equilibrio y la energía de Gibbs.
de equilibrio.
Este cuestionario está diseñado para tratar de evaluar el conocimiento pedagógico del contenido(CPC) de un grupo de profesores del nivel universitario, con relación al tema de "equilibrio químico".
Clave del profesor L-IV
Grado Académico Doctorado en Ingeniería Química
Edad (años) 67 Experiencia
Docente (años) 41 Conceptos
centrales decididos en
consenso
Espontaneidad, reversibilidad y
equilibrio
Estequiometría y avance de reacción
Propiedades termodinámicas (S, G)
Potencial
químico ()
Constante de equilibrio (K)
Por favor, contesta lo más extensamente posible, para cada uno de estos conceptos centrales, las siguientes preguntas:
¿Por qué consideras importante que los estudiantes aprendan este concepto central y cuál es tu intención al enseñarlo?
La segunda ley de la termodinámica establece la direccionalidad de los procesos naturales hacia el equilibrio. De modo que los procesos espontáneos siempre son en la dirección de alcanzar el equilibrio. Las reacciones químicas irán en la dirección del equilibrio, por lo tanto, el conocimiento del avance de la reacción en el equilibrio establece el límite al cual puede llegar la reacción. En reacciones reversibles, la dirección de la reacción tiene que ver con la concentración inicial de los componentes. Si es muy rica en reactivos y pobre en productos irá en la dirección de reactivos a productos. pero si es rica en productos y pobre en reactivos, entonces irá de productos a reactivos, siempre en la dirección de alcanzar el equilibrio. Todo lo anterior son las bases del tema de equilibrio en reacciones químicas.
Los cálculos del equilibrio en reacciones químicas requiere de cálculos de balance de materia. Para efectuar estos cálculos se necesitan dos elementos: la estequiometría de la reacción y el concepto de avance de reacción. Los coeficientes estequiométricos se utilizan tanto para el balance de materia como para el cálculo de la constante de equilibrio y la formulación de la ecuación de equilibrio químico. Es fundamental que los alumnos se percaten de que en todos los cálculos deben utilizar siempre el mismo conjunto de coeficientes estequiométricos.
El cálculo del estado de equilibrio está basado en los siguientes resultados de la segunda ley: 1) En un sistema cerrado y aislado el estado de equilibrio corresponde al de máxima entropía; 2) En un sistema a temperatura y presión constante el estado de equilibrio corresponde al de mínima energía de Gibbs; entre otros. Estos resultados son generales y gobiernan a cualquier reacción química sin importar el tipo de componentes involucrados, la temperatura o presión. Esto refuerza el carácter general de la termodinámica y el papel que juegan las propiedades como S y G. Lo siguiente será desarrollar ecuaciones para calcular estas propiedades y efectuar cálculos.
El cálculo de la energía de Gibbs requiere del cálculo de los potenciales químicos. El potencial químico de cada componente en la mezcla de reacción debe ser calculado a la temperatura, presión y composición de la mezcla. Se deberán incorporar coeficientes de activad y coeficientes de fugacidad, según sea el caso, cuando las condiciones de reacción así lo ameriten. La expresión del potencial químico puede ser expresada en términos de fugacidades. Esta expresión es la que yo en lo particular utilizo. Las
Es usual, y así lo planteo yo, que la expresión del potencial químico de origen a una forma de la ecuación de equilibrio que se conoce como la expresión de la constante de equilibrio. En su planteamiento se llega a una expresión general que es válida para todos los problemas de equilibrio, sin importar la naturaleza de los componentes o las características de la mezcla como temperatura, presión y fase. De este modo la constante de equilibrio es general, única para cada reacción y solo función de temperatura. Sin apelativos, subíndices, etc. Para su cálculo solo se requiere de los potenciales químicos de los estados de referencia de los componentes y los coeficientes estequiométricos. La ecuación de equilibrio basada en la constante de equilibrio tiene en el
expresiones para calcular el potencial químico están basadas en la introducción de un estado de referencia. Estas expresiones son vitales ya que constituyen la pieza fundamental para el cálculo numérico del equilibrio. La selección del estado de referencia se vuelve entonces en un elemento crucial. Es un aspecto que no se enfatiza suficiente. El estado de referencia lo debemos escoger de acuerdo a la disponibilidad de información termodinámica para su cálculo y al tipo de problema de
lado derecho a la constante de equilibrio, cantidad adimensional, y en el lado izquierdo al cociente de fugacidades de los componentes en mezcla, elevadas a los coeficientes estequiométricos. En la expresión anterior, cada fugacidad en la mezcla está dividida por la fugacidad del estado de referencia. Con esta expresión se resuelven todos los problemas de equilibrio. En caso de que varias reacciones se lleven a cabo simultáneamente, se plantea una ecuación de equilibrio para cada reacción. El balance de materia contendrá como incógnitas los avances de cada reacción. Entonces, esta formulación da un sistema de ecuaciones con igual número de incógnitas, una ecuación de equilibrio por cada reacción y un avance por cada reacción como incógnita. Al encontrar
equilibrio que debemos resolver. Podemos escoger en un problema en particular, estados de referencia diferentes para cada componente presente en la mezcla de reacción. Debemos poder efectuar cálculos del mismo a la temperatura de reacción. Tenemos libertad para escoger la presión y estado físico del estado de referencia como nos resulte más conveniente. Se debe abordar este tema con expresiones generales para cada tipo de fase, con lo
los avances de reacción al equilibrio se tendrá la composición de la mezcla al equilibrio.
cual tendremos un puñado de ecuaciones para resolver todos los problemas de equilibrio, sin importar su complejidad.
¿Cuáles son las dificultades y limitaciones relacionadas con el aprendizaje de este concepto central?
Los alumnos están acostumbrados a reacciones que ocurren en forma completa, hasta agotar el reactivo limitante. Al principio les cuesta trabajo pensar en que habrá un límite para una reacción y que el límite es el estado de equilibrio. No tienen claro que una reacción reversible puede llevarse a cabo en ambas direcciones. Más aún, no comprenden que de acuerdo con la 2a ley todas las reacciones son reversibles. Que este concepto de reversibilidad es diferente al punto de vista cinético. Que la termodinámica no establece el tiempo requerido para alcanzar el equilibrio. Hay que aclarar que un catalizador no influye en el equilibrio, solo en la rapidez de la reacción.
Los alumnos están acostumbrados a reacciones que ocurren en forma completa, hasta agotar el reactivo limitante. Les cuesta trabajo pensar en que sobran reactivos. El avance de reacción es difícil ya que no se refiere a un componente en particular, sino a toda la reacción. La cantidad de reactivo que reacciona y la cantidad de producto que se forma es igual al avance de reacción multiplicado por el coeficiente estequiométrico de cada componente. El valor numérico del avance depende de la estequiometría que se escoja. La cantidad de reactivos o productos son independientes de esta decisión. Ejemplos numéricos en clase ayudan al aprendizaje de este tema.
La entropía es una propiedad abstracta que no terminan por entender. No se diga la energía de Gibbs. Explicaciones moleculares no ayudan. Relacionar la entropía con orden-desorden tampoco ayuda. Partir de que no lograremos que tengan un concepto funcional de estas propiedades. Más bien centrarnos en lo que podemos hacer con ellas. El objetivo debe ser que acepten que ambas propiedades permiten establecer la direccionalidad de
los procesos. Además tenemos la dificultad de que debemos calcularlas. Por eso hay
tantos libros de termodinámica y cada uno de ellos intenta darle una explicación.
Primero que comprendan que los potenciales químicos establecen la dirección en que ocurre la reacción. Que hay un potencial químico para cada componente. Las dificultades y limitaciones mayores están en establecer las ecuaciones con las que se calcularán los potenciales químicos. No es fácil que vean la necesidad del estado de referencia y como se llega al potencial químico de cada componente en la mezcla. Aún la más simple es una ecuación compleja. Por
La ecuación del equilibrio químico es una relación compleja que involucra muchos términos. Es necesario explicar con detalle el significado de cada uno de ellos y como se calculan. Además, la solución de un problema de equilibrio requiere que aparte de la ecuación de equilibrio se tengan las ecuaciones del balance de materia. Es fundamental que se vea la conexión entre ellas. En muchos casos la solución del problema de equilibrio requiere de métodos numéricos porque no hay una solución analítica.
ejemplo, el estado de referencia depende de temperatura y su cálculo requiere de la capacidad calorífica, mediante una doble integral.
¿Cuáles son las dificultades y limitaciones relacionadas con la enseñanza de este concepto central?
Son conceptos abstractos. A un buen número de alumnos les cuesta trabajo asimilar conceptos abstractos.
El avance de reacción es un concepto que está en la frontera de lo concreto y lo abstracto. Lograr que entiendan que se refiere a la reacción en su conjunto y no a un componente en particular.
Son conceptos abstractos. A un buen número de alumnos les cuesta trabajo asimilar conceptos abstractos.
Hay que tratar apropiadamente el estado de referencia sin terminar con una cantidad grande de opciones. De hecho, en la práctica se utilizan solo dos. El basado en componente puro, ya sea como gas, líquido o sólido. Y el basado en una solución a dilución infinita,
Lograr que los alumnos relacionen el balance de materia y la ecuación de equilibrio. Que identifiquen las variables que las relacionan. Lograr que los alumnos vean la generalidad de la ecuación de equilibrio y distingan las particularidades que adopta para un problema en particular. Insistir en que la constante de equilibrio solo es función de temperatura y es adimensional.
por ejemplo para iones en solución. Desarrollar después las expresiones para: 1) mezcla de gases ideales; 2) mezcla que dan soluciones líquidas ideales y 3) sólidos puros. Aclarar que soluciones sólidas pueden ser tratadas con la misma metodología que para líquidos. Extender las ecuaciones anteriores para mezclas de gases reales y para soluciones líquida no-ideales.
¿Qué procedimientos o metodologías didácticas (analogías, metáforas, ejemplos, demostraciones, reformulaciones, experimentos etc.) empleas para que los alumnos identifiquen la importancia de este concepto central?
Ejemplos de la vida diaria son útiles. Tomar primero ejemplos de equilibrio más fáciles de ilustrar como solubilidad de sólidos en líquidos. después inducirlos a que den ejemplos de equilibrio en reacciones químicas. Hay que buscar ejemplos de acuerdo con los intereses de los alumnos (carrera) en donde el cálculo del equilibrio es importante. Para ingeniería química hay varios ejemplos de reacciones industriales donde el equilibrio es importante para el diseño del proceso.
Tiene uno que escoger problemas que les resulten relevantes y que les ayuden a asimilar los conceptos. Ayuda el calcular el avance de reacción a parte de la conversión de un reactivo o a la cantidad formada de un producto.
Una vez que se ha resuelto un problema de equilibrio, se puede regresar al cálculo de la energía de Gibbs para diferentes avances de reacción. Hacer notar que el avance al equilibrio coincide con el mínimo de la energía de Gibbs.
Las expresiones desarrolladas para el cálculo de los potenciales químicos son la herramienta central para el cálculo del equilibrio en reacciones químicas.
Aplicaciones a ejemplos relevantes para los alumnos, de acuerdo a sus intereses (carrera). Los resultados deben tener significado de acuerdo al problema que se resolvió.
¿De qué formas evalúas el aprendizaje de los alumnos sobre este concepto central?
Problemas concretos, sobre todo si se enuncian solo con palabras.
Problemas concretos como el cálculo que se planteó en el párrafo anterior.
Cálculos concretos que ilustren el uso de las ecuaciones
Cálculos concretos que ilustren el uso de las ecuaciones
5.3 Las entrevistas de los profesores de bachillerato
Profesor B-I 1. ¿Cuál es la finalidad de la enseñanza del concepto de equilibrio químico?
¿Se trata de poder entender fenómenos de la vida diaria del estudiante? ¿Cuáles? ¿Se trata de conocer temas fundamentales para ver otros temas ulteriormente? ¿Cuáles? ¿Se trata de cumplir con el plan de estudios per se? En un primer momento fue por cumplir con el plan de estudios, ya que es un contenido obligatorio, el 2.2: “Equilibrio químico” de la Unidad 2: “Rapidez y equilibrio de la reacciones químicas”; del programa oficial de estudios de la asignatura Química IV área I de la Escuela Nacional Preparatoria (ENP) de la UNAM. Sin embargo al paso del tiempo, mi interés se amplió más allá de cumplir con el programa, y es que me es importante que los estudiantes conozcan o refuercen que no todas las reacciones se consideran unidireccionales, es decir, irreversibles; sino que en muchos sistemas las reacciones son reversibles y que con esto se pueden interpretar, entender y/o comprender una serie de fenómenos naturales, procesos industriales o funcionamiento de algunos dispositivos. Por ejemplo el control del pH en la sangre para una buena salud, la función de un antiácido, la transformación del contaminante NO2 a N2O4, el proceso de obtención industrial del amoniaco, entre otros. Cabe mencionar que el tema de equilibrio ayuda a entender un único tema posterior que marca el programa: la teoría ácido-base de Brönsted/Lowry.
2. Si el tema de equilibrio químico no se enseña con el lenguaje
termodinámico: sistema-alrededores-frontera-variables, etc. ¿Cómo se
entiende lo que pasa dentro y lo que pasa fuera del sistema?
Estoy de acuerdo con ello y en mi caso sí utilizo tal lenguaje ya que se revisó en la Unidad I: “La energía y las reacciones químicas” en el contenido 1.1 “Energía y reacción química”, en este contenido se tratan conceptos como sistemas, estados y funciones de estado, energía interna, entalpía, reacciones endotérmicas y exotérmicas, entre otros.
3. Con respecto a las dificultades de aprendizaje del concepto central
‘Antecedentes’, haces énfasis en repasar los temas cantidad de sustancia y
mol, estequiometría, concentración y reacción química, a pesar de que ya
los vieron en el curso previo al tuyo.
¿Tienes que volver a dar estos temas antes de iniciar el de equilibrio químico? ¿Puedes darnos unos apuntes de tu clase de “repaso” de estos
temas? Nos interesa sobre todo saber ¿cómo haces para que el alumno perciba algo tan abstracto como lo es ese número de partículas?, para luego relacionarlo a lo que es el mol, y de aquí su relación con su masa, y aún más a la concentración de una disolución. A través del tiempo en el que he impartido el tema me he enfrentado con el problema de olvido y/o no comprensión de esos temas previos, entonces en el momento de aplicarlos al tema de equilibrio químico mi fracaso al respecto era muy evidente, por lo que tomé la decisión de volverlos a revisar y de esa manera tratar de disminuir el riesgo latente en la enseñanza y el aprendizaje de dicho tema. Me es importante mencionar que aun después de revisar los temas previos, persisten las dificultades en algunos estudiantes para aprender, tanto los temas previos como el tema de equilibrio químico; por lo que sigo hablando de ellos en contenidos posteriores como los de ácido, base y pH.
4. En la pregunta sobre los procedimientos utilizados al dar ‘Reversibilidad y
Equilibrio Dinámico’, hablas de una “representación teatral” en la que se
forman algunos grupos que se enganchan de los brazos y que una o dos
personas se intercambian de grupo, lográndose llegar al equilibrio cuando
las personas que se desenganchan y enganchan lo hacen a la misma
velocidad.
¿Cómo se te ocurrió esta representación? ¿Por qué esa y no otras? ¿Fue producto de tu imaginación acerca de cómo hacer que los alumnos aprendan el concepto?, es decir, ¿Algún día se te ocurrió proponerla? O más bien la miraste en algún libro o artículo? Esta representación se me ocurrió con el fin de hacer más participes a los estudiantes, de que se me distrajeran, que rompieran un poco con el ritmo de la clase, es decir, que no solo recibieran la información o participaran oralmente, sino hacer que algunos se levantaran de sus sillas; de que se estiren y provoquen, tanto en ellos como en el resto del grupo, algunas risas, un poco de gritos, o en algunos un poco de pena propia y ajena. Apuesto a tratar de diversificar los estilos de aprendizaje, en este caso, el kinestésico; que a algunos estudiantes les podría ayudar a entender el concepto. Esta estrategia es propia, no sé si a alguien se le ocurrió antes y si está o no en algún artículo. Otra estrategia que aplico, y en la que utilizo el pizarrón, es la de los “vasos comunicantes”, en esta analogía comienzo explicando que tenemos 3 casos, en cada uno hay dos tanques conectados (les comento aquí que en el sistema tenemos una reacción reversible); en el primero el volumen de los tanques es igual, en el segundo el volumen de lado derecho es más grande que del izquierdo y en el tercero el volumen del tanque izquierdo es mayor que el de la derecha (el volumen representa la concentración de reactivos, lado izquierdo, y productos, lado derecho, en el sistema de reacción. El que yo les mencione las diferencias de volúmenes quiere decir que en el primer caso tenemos concentraciones de reactivos y productos iguales, en el segundo que la concentración de productos es mayor que la de
reactivos, y en el tercero la concentración de reactivos es mayor que la de productos); luego les menciono que colocamos agua en el tanque izquierdo, en cada caso, y que abrimos la válvula que los conecta (con esto les represento que empieza la reacción, que los reactivos empiezan a transformarse en los productos), enseguida pregunto lo que sucederá al hacer esta acción, y la mayoría me contesta que empieza a llenarse el tanque de la derecha hasta que ambos tanques lleguen al mismo nivel, esto en los tres casos (aquí les hablo de tener en el equilibrio químico la misma velocidad de reacción en ambos sentidos de la reacción, independientemente de las concentraciones de reactivos y productos que se tengan, les hago patente que en cada caso tenemos la presencia tanto de reactivos como de productos). Claro que a veces esta analogía, si no tengo cuidado en la explicación, puede generar en los alumnos la concepción alternativa de que el equilibrio químico es estático, pues ello consideran que cuando los tanques tienen el mismo nivel de agua, todo es apacible y no le ven lo dinámico. Entonces para tratar de evitar lo antes descrito utilizo otra estrategia, está la tomé de la Profesora Patricia Huerta. Llevo dos cubetas con cierta cantidad de agua (tratando de representa los tres casos de los vasos comunicantes) las coloco en la mesa del profesor y pongo en cada cubeta un vaso de plástico de aprox. 250 ml, enseguida paso a dos estudiantes y les doy la instrucción de que seleccionen una de las cubetas y de que pasen, al mismo tiempo y juntos, un vaso de agua de su cubeta seleccionada a la del compañero o compañera; al inicio derraman mucha agua y están desfasados en la acción hasta que van controlando el proceso y ejecutan muy bien la instrucción, en este momento explico al grupo que se fijen bien como los niveles de las cubetas no se modifican y sin embargo la acción de pasar un vaso de agua a la cubeta contraria no cesa, eso es un equilibrio dinámico y entonces lo relaciono a la reacción de equilibrio químico mencionando que así las concentraciones de reactivos y productos permanecen constantes mientras la transformación de unos a otros es continua y dinámica y se lleva con la misma velocidad.
5. Respecto a la enseñanza de la ‘Constante de Equilibrio Químico’, comentas
el acuerdo académico de no hacer ejercicios numéricos para el cálculo de la
constante y dices que haces ejercicios en los que se desarrolla la expresión
de la constante para diferentes reacciones químicas y se aclara el efecto de
la temperatura en el valor de la constante:
¿Cómo se puede poner en evidencia el efecto de la temperatura en el valor de la constante sin hacer cálculos, y cómo enfrentar los problemas de comprensión de la proporcionalidad en los alumnos, sin comparar los distintos valores de la constante en diferentes situaciones experimentales? ¿Qué metodología de enseñanza propondrías para subsanar esta situación?
En este punto se analiza el efecto de la temperatura en el equilibrio químico, es decir, qué sentido se favorece, ya sea el endotérmico o el exotérmico, para restablecer el EQ; dependiendo si se aumenta o se disminuye la temperatura en el sistema. Para este momento los estudiantes ya saben como desarrollar la expresión de la constante y la relación de proporcionalidad que representa entre los productos y reactivos de la reacción química en cuestión. Un ejemplo al tratar el tema, les digo: “en este sistema se aumenta la temperatura y el sentido exotérmico de la reacción química en equilibrio es…y el endotérmico es… (les señalo entonces los sentidos en una reacción química escrita en el pizarrón) prosigo: ..….por lo tanto ¿qué sentido de la reacción química se intensifica para restablecer el equilibrio al aumentar la temperatura en el sistema? y los estudiantes contestan, por decir algo, … a la derecha!!!, entonces les cuestiono, ¿qué sucede con las concentraciones en el sistema?…cambian, aumenta la de los productos!!!; …si ahora analizamos la expresión de la constante, qué termino aumenta ….el numerador!!! contestan…entonces ¿qué le sucede al valor de la constante?……aumenta también!!!....muy bien…..” Como actividad de refuerzo les presento otra situación moviéndome en los parámetros antes descritos, modificando las condiciones del sistema con la misma reacción y luego con otra reacción. Mi propósito es que comprendan que con los cambios de temperatura, cambian las concentraciones en el sistema de reacción y por lo tanto se modifican los valores de las constantes.
6. Mencionas que existe una gran dificultad en presentar a los alumnos “lo que
hace el factor externo para romper el equilibrio del sistema y lo que hace el
sistema para recuperar ese estado termodinámico.” En las metodologías de
enseñanza que propones está una película y un cuestionario, ¿podrías
decirnos qué película es y darnos el cuestionario con las respuestas que
esperas de los alumnos? Si te diera tiempo de hacer una práctica de
laboratorio, ¿cuál harías y por qué?
Es un video (en formato VHS) del “Centro Visual educativo S.A. de C.V. (CORONET MTI International)” Los temas que incluye son: a) Enlaces químicos y estructura atómica, b) Ácidos, bases y sales, c) Velocidad de reacción y equilibrio químico. En la parte que corresponde al equilibrio químico, aplico el siguiente cuestionario mientras ven el video y en una siguiente clase se discuten las respuestas. - ¿Cómo definen Equilibrio Químico? - ¿Cómo alteran la temperatura, la concentración, y la presión al Equilibrio Químico? - ¿Qué proceso muestran para explicar el efecto de la temperatura en un sistema químico en equilibrio?
-¿Qué proceso industrial se muestra como ejemplo del control de Velocidad de Reacción y
Equilibrio Químico y en qué consiste? - ¿Qué catalizadores utilizan en este proceso industrial? ¿con qué
finalidad?” Propuesta de práctica: “Efecto de la temperatura” - Reacción química en equilibrio: 2NO2 (g) N2O4 (g)
Generar gas NO2, con ácido nítrico y cobre, en un vial y luego taparlo herméticamente, este sería nuestro sistema. Se perturbaría el sistema en equilibrio químico modificando la temperatura, esto se podría lograr sumergiéndolo en un baño de hielo y luego en un baño maría. Cuando se forma el gas NO2 el sistema se torna de color marrón, al enfriar el vial en el baño de hielo, el color marrón prácticamente desaparece, lo que indica que el equilibrio se desplaza hacia la formación del gas N2O4 (sentido exotérmico) con el baño maría
Profesor B-III
1. ¿Cuál es la finalidad de la enseñanza del concepto de equilibrio químico?
A nivel bachillerato es importante que nuestros alumnos comprendan lo que sucede en las reacciones químicas más allá de solo aprender a balancear las ecuaciones. Muchas veces, su interés por la Química se puede fomentar al ver cómo ellos mismos pueden modificar el curso de las reacciones al cambiar temperaturas, presiones y concentraciones tanto de reactivos como de productos, por tanto, el concepto de equilibrio químico es de suma importancia.
¿Se trata de poder entender fenómenos de la vida diaria del estudiante? Efectivamente, tan simple como que pueda comprender o explicarse el por qué sale disparado el gas carbónico de las botellas de refrescos al destaparlos; y eso es solo un ejemplo de tantas situaciones que pueden encontrar los alumnos en su vida cotidiana respecto al equilibrio químico. ¿Cuáles? Por lo expuesto en la pregunta anterior. ¿Se trata de conocer temas fundamentales para ver otros temas ulteriormente? No necesariamente es ver temas (en este caso equilibrio químico) por verlos o porque lo dice el programa de la asignatura. Como lo he expuesto en las respuestas anteriores, el tema de equilibrio químico es de suma importancia para explicar sucesos cotidianos en la vida de nuestros alumnos. Pero también hay que resaltar que el concepto de equilibrio químico es una base importante para comprender otros temas también de suma importancia en la vida cotidiana.
¿Cuáles? Ácidos y bases, estequiometria en reacciones completas e incompletas, estudio de las leyes de los gases, cinética química, etc. ¿Se trata de cumplir con el plan de estudios per se? No necesariamente, por lo expuesto anteriormente.
2. Si el tema de equilibrio químico no se enseña con el lenguaje
termodinámico: sistema-alrededores-frontera-variables, etc. ¿Cómo se
entiende lo que pasa dentro y lo que pasa fuera del sistema?
Creo que podemos “omitir” este lenguaje termodinámico solo cuando nos referimos a las concentraciones de reactivos sólidos, líquidos o acuosos. Pero creo que no se puede dejar de lado el lenguaje termodinámico al estudiar fenómenos que involucren gases a ciertas presiones y temperaturas.
3. No respondes cuáles son las dificultades y limitaciones relacionadas con la
enseñanza de los ‘Antecedentes’ del equilibrio químico.
¿Puedes contestar esta pregunta extensamente aparte? Creo que los antecedentes necesarios para comprender el equilibrio químico se van dando desde las primeras clases (inicio del curso) ya que equilibrio químico se enseña casi al último del curso, o bien al inicio de un segundo curso de química. Creo que desde mis primeras clases voy haciendo camino con mis alumnos para que lleguemos al enfrentamiento de este tema. Durante todas estas clases previas analizamos las propiedades, estados, estructura y cambios de la materia. También analizamos la energía asociada a los cambios de la materia. Posteriormente estudiamos los tipos de enlaces que pueden formar los diferentes átomos y moléculas. Después pasamos a la nomenclatura y las reacciones químicas. Con todos estos antecedentes estudiados creo que estamos en condiciones de abordar el concepto de equilibrio químico.
4. En la pregunta sobre tus objetivos al dar ‘Reversibilidad y Equilibrio
Dinámico’, dices: “Muchos de los procesos que ocurren en la vida cotidiana
de nuestros estudiantes se rigen por el equilibrio químico y la
reversibilidad”.
¿Puedes darnos algunos ejemplos de fenómenos de la vida cotidiana que se rijan por el equilibrio químico y la reversibilidad? Me resulta más fácil dar ejemplos de procesos irreversibles como por ejemplo: romper un vaso de vidrio en añicos, del cual no podemos volverlo a su forma original, o bien, al quemar la gasolina y obtener CO2, H2O y energía, no podemos regresar estos tres a formar nuevamente gasolina. Etc. Algunos ejemplos de procesos reversibles, podría ser la evaporación de un líquido y su posterior condensación o bien la sublimación de alcanfor o yodo en un recipiente que permita solidificarlos nuevamente.
5. En la importancia de que tus alumnos aprendan la ´Constante de Equilibrio’
mencionas: “es necesario saber la magnitud de la constante, pues con ello
nos podemos dar una idea de qué está pasando en el proceso a estudiar”.
Mencionas como herramienta de evaluación del aprendizaje de esta idea
central, un examen.
¿Podrías darnos una copia de este examen con las respuestas que esperas den tus alumnos y con una explicación de en qué momento de tu enseñanza aprendieron ese aspecto de esta idea central? Para la reacción en equilibrio representada por la ecuación: H2(g) + I2(g) → 2HI(g) Se tiene una constante de equilibrio Kc = 54.4 a una temperatura de 698 K. Si en un reactor de 10 L se introducen 0.1 mol de H2(g) y 0.1 mol de I2(g), calcula la concentración de reactivos y producto cuando se alcance el equilibrio. Los alumnos tendrán que hacer una tabla de concentración de especies:
H2(g) I2(g) 2HI(g)
Inicio 0.1 mol/10L =0.01M
0.1 mol/10L =0.01M
0
Al transcurrir la reacción
X X 2X
Al equilibrio 0.01- X 0.01-X 2X
Al realizar la tabla, los alumnos deben haber comprendido que las reacciones alcanzan su equilibrio después de cierto tiempo, es decir, mientras que los dos reactivos comienzan a reaccionar. Una vez alcanzado el equilibrio, se tendrán como concentraciones de reactivos, lo inicial menos lo que ha reaccionado, a lo que hemos llamado X, y como la reacción es 1:2 se tendrá como concentración de producto, la cantidad 2X. Teniendo como dato el valor de la K de equilibrio, para encontrar X tendrán que sustituir en la ecuación: Kc = [HI]2 / [H2][I2] Es decir, utilizaron el valor de la constante de equilibrio para determinar la concentración de todas las sustancias presentes en el equilibrio de la reacción. Otro ejemplo de reactivo de examen es en el equilibrio ácido base. Por ejemplo: El ácido nítrico se disocia en agua de acuerdo a la siguiente ecuación: HNO3(g) → H+
(ac) + NO3(ac)-
La constante de la reacción es muy grande (prácticamente infinito). ¿El HNO3 es un ácido fuerte o débil? Aquí los alumnos deben saber que un ácido fuerte está completamente disociado en agua, por lo que HNO3 no debe existir
como tal. Al establecer la ecuación para la constante de equilibrio para la disociación de HNO3 como: Ka = [H+] [NO3
-] / [HNO3] = ∞ Los alumnos se dan cuenta que para que ese cociente sea igual a ∞, [HNO3] debe ser idéntica a cero, con lo cual se dan cuenta que [HNO3] no existe como tal y por tanto HNO3 es un ácido fuerte. Estos son dos ejemplos típicos de preguntas de examen referentes a la constante de equilibrio.
6. Sobre el tema de los ‘Factores que Modifican el Equilibrio Químico’,
mencionas que es de fundamental importancia porque “nos permite
modificar o no, a nuestra conveniencia, el sentido del equilibrio en una
reacción.”
¿Podrías explicar con mayor amplitud para qué necesitan tus alumnos saber modificar el equilibrio químico? Por ejemplo, si un alumno va a ser responsable de una fábrica de producción de amoniaco, de acuerdo a la reacción representada por: N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)
Deben estar conscientes de que si aumentan la concentración de nitrógeno o hidrógeno o ambos, el equilibrio se desplazará hacia la obtención de más amoniaco, o bien, si aumentan la presión en el tanque o recipiente donde se esté llevando a cabo la reacción, el equilibrio también se desplazará hacia la producción de más amoniaco. Y como este ejemplo, hay muchos más que se pueden mostrar a los alumnos para que vean como se puede dirigir el equilibrio químico hacia donde nosotros queramos variando concentraciones, temperatura, volumen y presión.
Profesor B-IV
1. ¿Cuál es el sentido de la enseñanza del concepto de equilibrio químico?
¿Se trata de poder entender fenómenos de la vida diaria del estudiante? ¿Cuáles? ¿Se trata de conocer temas fundamentales para ver otros temas ulteriormente? ¿Cuáles? ¿Se trata de cumplir con el plan de estudios per se? Aunque la primera razón para enseñar el concepto de equilibrio químico es cumplir con el plan de estudios, es importante llegar a las aplicaciones del mismo. Primero se abordan los temas intentando la comprensión de fenómenos naturales como la formación del arrecife de coral y su destrucción, modificando las condiciones y alterando el equilibrio. También se pueden usar ejemplos de la industria como la síntesis de amoniaco, donde la obtención del producto depende de desplazar el equilibrio hacia la formación de reactivos. De esta forma se puede dar sentido al estudio del concepto, sin embargo, habrá que buscar
ejemplos más cercanos al estudiante; tal vez con el uso de ejemplos como las pilas recargables que utilizamos tan cotidianamente. También me parece que es fundamental para entender los equilibrios ácido-base y redox, y poder hablar de constantes de acidez, espontaneidad de las reacciones en uno u otro sentido, etc. Si no se enseña el tema con el lenguaje termodinámico: sistema-alrededores-frontera-variables, etc. ¿Cómo se entiende lo que pasa dentro y lo que pasa fuera del sistema?
2. Siguiendo el orden del programa de estudios, el lenguaje
termodinámico se aborda al inicio del curso, de tal forma que sí se
maneja este lenguaje aún antes de revisar el tema, entonces sí es
posible entender los sistemas y alrededores.
3. Nos dices, respecto a la idea central ‘Antecedentes’, en cuanto a las
dificultades de enseñanza que “el concepto de reacción química completa e
irreversible puede dar lugar a una falsa idea de las reacciones reversibles”.
¿Puedes ampliar por qué puede ocurrir eso? Como desde la secundaria los estudiantes manejan el concepto de reacción química irreversible, difícilmente sabe que las reacciones químicas pueden ser reversibles. No se ha construido el concepto de reversibilidad, hay que comenzar a construirlo en este nivel educativo (bachillerato). De hecho, tienen la idea previa de que “los cambios químicos son irreversibles y los cambios físicos son reversibles”, idea tan arraigada que “salta” en todo momento cuando tratan de explicar lo que sucede en una reacción química; hay que enseñar la reversibilidad usando la mayor cantidad de ejemplos que puedan visualizar los alumnos.
4. En la pregunta sobre tus objetivos al impartir la idea central ‘Reversibilidad
y Equilibrio Dinámico’, dices: “cuando se enseña el tema de manera
habitual, la caracterización del equilibrio no es clara, provocándose en el
alumno una serie de concepciones alternativas en torno al tema.”
¿Puedes decirnos qué concepciones alternativas pueden generarse en particular? ¿Cómo habría que enseñar el tema para que ello no ocurra? Primero, permanece la idea de equilibrio estático, que proviene del estudio del equilibrio mecánico en Física. De tal manera que hay que hacer mucho énfasis en la naturaleza dinámica del equilibrio. Esto hace pensar que el equilibrio está asociado con igualdad de concentraciones, como si los reactivos estuvieran de un lado de la balanza y los productos del otro lado. Otra concepción que resalta es aquélla en donde los estudiantes piensan que la reacción directa se lleva a cabo primero y más rápido que la inversa, nunca se alcanza la igualdad de velocidades. La idea “pendular” del equilibrio también se puede encontrar, primero se lleva a cabo la reacción directa, al terminar ésta comienza la inversa.
Hay que ser muy cuidadosos para mostrar las características del equilibrio usando analogías y experimentos que permitan visualizar de diversas maneras cada una de ellas. También el uso de simuladores ayuda mucho. Primero debe enseñarse el concepto de reversibilidad, con muchos ejemplos; posteriormente ir analizando cada una de las características. Para ello me gusta hacer uso de las analogías, ya que permiten llevar a un ambiente más familiar, este concepto tan abstracto. Una vez comprendidas las características, habrá que hacer ejercicios que integren los aspectos macroscópico, nanoscópico y simbólico de las reacciones reversibles. Finalmente se analizan situaciones problemáticas en las que se modifica el equilibrio, cambiando las condiciones e interpretando cualitativamente qué es lo que está sucediendo.
5. En tu CoRe, mencionas que las dificultades asociadas con la enseñanza de
la constante de equilibrio, es “enseñarla de forma tradicional, solo
resolviendo ejercicios. No contextualizar ni dar significado al valor numérico,
no problematizar.”
¿Podrías darnos un ejemplo de las diferentes herramientas que utilizas para su enseñanza? La mayoría de los libros sólo mencionan ejercicios donde se indica una ecuación química, se dice que se varían los factores temperatura y concentración y se solicita al estudiante que indique si la reacción desplaza “a la derecha” o “a la izquierda”. No lleva a reflexionar qué está pasando, para qué sirve el equilibrio en cuestión, y qué implica que se desplace en uno u otro sentido. Me he dado a la tarea de buscar ejemplos más cotidianos donde cambian las condiciones, por ejemplo, el caso de la hiperventilación y cómo restablecer el equilibrio. Hay que hacer un mayor número de análisis de situaciones problemáticas, que permitan la comprensión. Más aplicación del conocimiento.
6. En los procedimientos que describes para la enseñanza de la idea central
‘Factores que Afectan el Equilibrio Químico’ mencionas que: “se realizan
otros experimentos donde el alumno analiza de qué manera se puede
modificar un estado de equilibrio y qué factores están involucrados en ellos”
¿Podrías describir uno de estos experimentos y los mecanismos que tienes diseñados para que los alumnos entiendan que primero los sistemas se encuentran en un estado de equilibrio, cómo saben que sí está, y cómo lo perturban para que alcance otro estado de equilibrio?, ¿cómo explicas, con ese ejemplo, que “una vez que es alterado el equilibrio, éste se restablece en las nuevas condiciones”?
Uno de los experimentos utilizados es el equilibrio del cloruro de cobalto para observar un sistema en equilibrio que involucra la formación de los complejos de cobalto: Co(H2O)6
2+ y CoCl4 2- y
posteriormente comprobar el efecto de la variación de concentración y temperatura sobre este sistema en equilibrio (Principio de Le Chatelier).
Complejos de cobalto
rosa azul
Co2+
H2O
OH2
H2O
H2O
OH2
OH2
Co2+
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Primero se modifica la concentración de agua para observar la reversibilidad, se habla de las aplicaciones de esta reacción. Posteriormente, se hace un pequeño ejercicio donde se modifica la temperatura al escribir mensajes ocultos con la sal y hacerlos visibles pasando sobre la flama de un mechero. Finalmente se modifica la temperatura y los estudiantes deciden si calientan o enfrían para modificar y restablecer el equilibrio. Anexo material usado con los alumnos.
5.4 Las entrevistas de los profesores de Licenciatura
Profesor L-I
1. En tu CoRe comentas que una de las dificultades de aprendizaje de los
alumnos, respecto a los conceptos de espontaneidad, equilibrio y reversibilidad,
es que son conceptos muy abstractos y sugieres animaciones, videos y
experiencias de cátedra como herramientas para enseñarlos, ¿podrías
mostrarnos estos materiales y describirnos las experiencias de cátedra que
utilizas en clase para subsanar esta dificultad? Nos interesa también el manejo
didáctico que realizas para cada una de estas herramientas.
Esto lo hago con los alumnos que cursan termodinámica. Se puede
retomar en clase dos ejemplos de la vida cotidiana y que los alumnos
estudiaron en su curso de Física I. El propósito es que los alumnos
realicen un análisis de dichos procesos desde un punto de vista
termodinámico, que indiquen qué transformaciones energéticas ocurren y
que deduzcan los signos de ∆G correspondientes, además de que
expliquen su interpretación física:
Caída libre de un cuerpo. Este es un proceso espontáneo, en donde dicho
cuerpo hace trabajo contra los alrededores de manera natural (en este
caso, ∆G < 0), y cuando llega al suelo, el proceso ya terminó, y entonces
∆G = 0.
Tiro vertical. Para que un cuerpo suba y logre vencer la gravedad, este
proceso es no natural y requiere suministrarle energía como trabajo para
que dicho proceso ocurra. En este caso, ∆G > 0 (proceso no espontáneo
que consume trabajo). Cuando el cuerpo alcanza la altura máxima, el
proceso termina y entonces ∆G = 0.
Este análisis se puede aplicar para los procesos que ocurren en pilas,
máquinas térmicas como motores, refrigeradores, compresores,
resistencias eléctricas, etc.
2. ¿Cuáles son los ejemplos de la vida cotidiana que tus alumnos te describen, en
los que se aplican los conceptos de espontaneidad, equilibrio y reversibilidad?
¿Cuál es el ejemplo de la vida cotidiana, que consideras estrella para trabajar el
concepto de equilibrio químico con argumentos termodinámicos?
El ejemplo de la vida cotidiana que los alumnos describen aplicando el
concepto de equilibrio químico y espontaneidad así como reversibilidad es
la respiración y la fotosíntesis. En ambos casos se puede hacer el cálculo de
∆Gº a partir de datos de la literatura y se puede calcular la Keq. Para la
respiración ∆Gº<0 y Keq >1 esto indicaría que esta reacción es favorable
termodinámicamente y que el equilibrio químico estaría desplazado hacia
productos. Como la fotosíntesis es el proceso inverso a la respiración, al
hacer los mismos cálculos, ∆Gº>0 y 0<Keq<1. Esto indica que esta reacción
es desfavorable termodinámicamente y que el equilibrio químico está
desplazado hacia reactivos. Sin embargo, al ser un proceso desfavorable
termodinámicamente, no significa que no se lleve a cabo, sino que para que
este proceso ocurra, se debe pagar un costo energético (en este caso, luz
solar). Todo esto se puede justificar con la ecuación ∆Gº = ∆Hº-T∆Sº,
calculando ∆Hº y ∆Sº, analizando el efecto de T, y de la combinación de
signos para ∆Hº y ∆Sº.
3. Desde tu punto de vista, ¿qué es lo que los alumnos de licenciatura no deben
dejar de saber sobre la constante de equilibrio (Keq) y qué herramientas
didácticas utilizas para propiciar en ellos la construcción de esta(s) idea(s)?
Es fundamental porque de esta manera, el alumno puede hacer un análisis
cuantitativo del sistema reaccionante, basándose en criterios
termodinámicos. Es fundamental para el alumno que conozca el
significado e interpretación de la constante de equilibrio químico a partir
de la ley de acción de masas (que las concentraciones relativas de todas
las especies químicas de los productos y reactivos no cambian con el
tiempo a T constante), que el alumno plantee una tabla de variación de
especies en términos de la coordenada de reacción para calcular las
concentraciones al equilibrio de las especies químicas participantes y que
conozca su relación con los potenciales termodinámicos empleando las
ecuaciones: ∆Gº =-RTlnKeq, ∆Gº = ∆Hº-T∆Sº y lnKeq =-∆Hº/RT+∆Sº/R.
Asimismo, es muy importante que el alumno conozca el efecto de la
temperatura en la constante de equilibrio a partir de la ecuación de van’t
Hoff, es decir:
ln(K2/K1) = -(∆Hº/R)((1/T2)-(1/T1)). Se le debe enseñar y explicar al alumno
la interpretación física de ∆Gº, ∆Hº y ∆Sº así como de sus respectivos
signos. Además, deben conocer cómo afectan los signos de ∆Hº y ∆Sº, y
el efecto de la temperatura en el signo de ∆Gº y esto cómo dirige la
cuantitatividad de una reacción.
4. ¿Qué tan pertinente y útil consideras al Principio de Le Châtelier en la
enseñanza del equilibrio químico?
Es fundamental ya que con la aplicación de este principio, el alumno
puede desarrollar un criterio para hacer un análisis cualitativo de una
reacción, sin necesidad de hacer cálculos. Es muy importante enseñarle al
alumno relacionar y explicar el análisis cualitativo de una reacción
(principio de Le Châtelier) con el análisis cuantitativo de una reacción
(aplicación de los potenciales termodinámicos), para que esto lo aplique
en otros temas del curso de Equilibrio y Cinética, tales como la ley de
Henry, o en equilibrios de reparto de una sustancia entre dos fases, o
bien, se puede extrapolar a otros cursos, como el de termodinámica
química o el de química analítica. Es fundamental que el alumno observe
la relación de los potenciales termodinámicos a con las perturbaciones
realizadas al sistema reaccionante, tales como las mecánicas, las
térmicas, y el efecto de la concentración así como el de la adición de un
catalizador o inhibidor en la reacción.
El potencial químico es una propiedad central para el aprendizaje del
equilibrio químico y los alumnos presentan con frecuencia graves
deficiencias matemáticas para comprenderlo y manejarlo. Desde tu punto
de vista, ¿cuál debe ser el significado físico, que los alumnos deben
construir, sobre este concepto, que les permita comprender de mejor
manera el equilibrio químico?
Que el potencial químico es una propiedad intensiva y función de estado
que puede verse como una medida de la tendencia natural que posee la
materia al cambio (físico o químico) y con él se puede “medir” la
tendencia natural que posee una especie química a cambiar frente a otra
especie química, es decir, esto es una medida de la reactividad química de
una especie química frente a otras. El potencial químico de una sustancia
pura disminuye por la presencia de otras sustancias y esto se puede
modelar a partir de las ecuaciones:
μi = μiº + RTlnPi para mezclas de gases ideales y μi = μi* + RTlnxi para
soluciones líquidas o sólidas.
5. De qué manera planteas a los alumnos la condición de equilibrio de una
reacción química determinada? ¿Lo haces mediante los potenciales químicos
de reactivos y productos? ¿Si o no y por qué?
Se parte del hecho que el potencial químico de una sustancia pura,
disminuye cuando se adiciona otra sustancia y esto se modela con las
ecuaciones μi = μiº + RTlnPi para mezclas de gases ideales y μi = μi* +
RTlnxi para soluciones líquidas o sólidas. Esto se relaciona con el cálculo
de la variación de la energía de Gibbs de una reacción en términos de los
potenciales químicos, es decir: ∆Gr = (Σνi μi)reacción = Σνi μi productos -
Σνi μi reactivos y que al aplicar ∆G como criterio de espontaneidad y
equilibrio a T y P constantes, al inicio, si la reacción es espontánea ∆Gr <
0 y que la reacción evolucionará en esa dirección ocurriendo la
transformación de reactivos a productos hasta que el proceso espontáneo
se detiene, y esto ocurre cuando ∆Gr = 0 o bien que ∆Gr = Σνi μi = 0. De
acuerdo con el signo de ∆Gr, significa que su valor tiende a minimizarse
en esa dirección y que lo que se mide con los potenciales químicos de
cada especie química en el sistema reaccionante es la contribución de
cada una de las especies químicas participantes frente al cambio químico
de las demás especies químicas a T y P constantes (reactividad química
de cada una de las especies químicas con respecto a las demás). A partir
de esto se puede deducir que: ∆Gr = ∆Gºr + RT ln Q donde Q es el cociente
de productos entre reactivos elevados a sus coeficientes
estequiométricos. En el equilibrio químico, ∆Gr = 0 (criterio de
espontaneidad y equilibrio) y entonces como Q es constante a través del
tiempo una vez que termina la reacción química, entonces Q = Keq y 0 =
∆Gºr + RT ln Keq o bien ∆Gº =-RTlnKeq.
Aquí es importante mencionarle al alumno que ∆Gr es el criterio de
espontaneidad y equilibrio a T y P constantes y que en el equilibrio
químico ∆Gr = 0, mientras que ∆Gºr indica en qué dirección está
desplazado el equilibrio. Así, de acuerdo con la ecuación ∆Gº =-RTlnKeq,
si ∆Gº < 0, Keq > 1 y esto indica que el equilibrio está desplazado hacia
productos y que la reacción tiene a ser cuantitativa, en tanto que si ∆Gº >
0, 0 < Keq < 1, e indica que el equilibrio está desplazado hacia reactivos y
que la reacción tiene a ser no cuantitativa.
6. En el bachillerato y en el curso de Química General, los alumnos estudian el
tema de equilibrio químico en el marco de la cinética química. ¿Cómo manejas
la transición didáctica del campo de la cinética al campo de la termodinámica en
tus clases de Equilibrio y Cinética?
Se considera que para cualquier reacción química desde el punto de vista
cinético, ésta se lleva a cabo de reactivos a productos (reacción directa) y
de productos a reactivos (reacción inversa), es decir: aA + bB cC +
dD
Para la reacción directa, la velocidad de reacción es proporcional al
producto de las concentraciones de los reactivos que desaparecen
elevadas a un exponente (en este caso a su respectivos coeficientes
estequiométricos):
r α [A]a[B]b al quitar la proporcionalidad:
r = k [A]a[B]b
Del mismo modo para la reacción inversa:
r α [C]C[D]d al quitar la proporcionalidad:
r = k’ [C]c[D]d
El concepto de equilibrio químico desde el punto de visita cinético como
se enseña en el bachillerato, es que la velocidad de reacción directa es
igual al de la velocidad de reacción inversa, esto es:
k [A]a[B]b = k’ [C]c[D]d
y agrupando términos: k/k’ = ([C]c[D]d)/( [A]a[B]b )
En el equilibrio químico, las concentraciones relativas de todas las
especies químicas de los productos y reactivos no cambian con el tiempo
a T constante, entonces significa que el cociente ([C]c[D]d)/([A]a[B]b) debe
ser constante, el cual se define como la constante de equilibrio químico
(ley de acción de masas), esto es:
Keq = k/k’ = ([C]c[D]d)/( [A]a[B]b )
Aquí se hace la conexión entre la ley de acción de masas (concepto de la
constante de equilibrio químico desde un punto de vista cinético) con la
termodinámica (∆G = Σνi μi = 0), ya que como Keq está relacionada con
∆Gº a partir de la relación ∆Gº =-RTlnKeq y a su vez
∆Gº = ∆Hº-T∆Sº, se puede construir la ecuación:
lnKeq =-∆Hº/RT+∆Sº/R
Es importante aclararle al alumno que es la termodinámica la ciencia que
explica si una reacción química procede o no, en qué dirección es un
proceso espontáneo (proceso natural) y en qué condiciones este proceso
químico será favorable o desfavorable, lo que afectará la cuantitatividad
de la reacción y que es independiente del tiempo en el que este proceso
químico ocurre.
Para conocer el tiempo en el que ocurre la reacción química y los factores
que afectan al tiempo en el que ocurre dicha transformación, la ciencia
que lo explica es la Cinética Química.
Profesor L-II
A este profesor decidimos solicitarle el material didáctico que utiiza para
la enseñanza del tema. Ëste se encuentra en los anexos.
Profesor L-III
1. En tu CoRe mencionas que para aclarar los conceptos de equilibrio,
espontaneidad y reversibilidad, utilizas como herramientas didácticas algunas
analogías como la del equilibrio térmico y la de los vasos comunicantes.
Indicas que: “en ambas analogías, el "flujo" se detiene en algún punto
(equilibrio), cuando se iguala en ambos sistemas una "propiedad", que es la
que determina la "condición de equilibrio" ¿Podrías decirnos de qué manera
insistes en el hecho de que el equilibrio químico se tienen dos procesos
químicos distintos, simultáneos y en sentido contrario? y ¿cómo ejemplificas
qué “flujo” se detiene y qué “propiedad” se iguala en este estado
termodinámico?
No es una insistencia… El punto de vista de los equilibrios en sentidos
opuestos es derivado del enfoque cinético en el que ambas reacciones
ocurren en sentidos opuestos dando como resultado una rapidez neta
igual a cero, donde se ha alcanzado el equilibrio (dinámico).
2. Desde tu punto de vista, ¿qué es lo que los alumnos de licenciatura no deben
dejar de saber sobre la constante de equilibrio (Keq) y qué herramientas
didácticas utilizas para propiciar en ellos la construcción de esta(s) idea(s)?
Que el equilibrio se puede alcanzar en ambas direcciones y que existe un
potencial termodinámico que es el que dirige y controla el proceso.
3. ¿Qué tan pertinente y útil consideras al Principio de Le Châtelier en la
enseñanza del equilibrio químico?
Muy útil… con el principio de LeChatelier se muestra a los alumnos que
el equilibrio es una condición que depende de otras variables como son
la presión y la temperatura.
4.
equilibrio químico y los alumnos presentan con frecuencia graves deficiencias
matemáticas para comprenderlo y manejarlo. Desde tu punto de vista, ¿cuál
debe ser el significado físico, que los alumnos deben construir, sobre este
concepto, que les permita comprender de mejor manera el equilibrio químico?
Uno de los problemas que se presentan con los nuevos conceptos es el
de tratar de darle a éstos un significado físico como lo obtenemos de las
cosas que son tangibles, palpables, que están a nuestro alcance. La
abstracción es algo que hay que desarrollar y en ese sentido la
Matemática nos ayuda a comprender aquellos conceptos que se
perciben de manera natural aprovechando sus efectos sobre los
sistemas bajo estudio.
5. De qué manera planteas a los alumnos la condición de equilibrio de una
reacción química determinada? ¿Lo haces mediante los potenciales químicos
de reactivos y productos? ¿Si o no y por qué?
A la usanza tradicional… partiendo de las energías de Gibbs y luego con
los potenciales químicos. Efectivamente considerando que en el sistema
reaccionante hay un cambio en las propiedades y este cambio se evalúa
considerando la diferencia entre el estado final y el inicial.
6. En el bachillerato y en el curso de Química General, los alumnos estudian el
tema de equilibrio químico en el marco de la cinética química. ¿Cómo manejas
la transición didáctica del campo de la cinética al campo de la termodinámica
en tus clases de Equilibrio y Cinética?
Al revés… yo la manejo del campo de la Termodinámica hacia el de la
Cinética advirtiendo que ahora el enfoque de lo que ocurre en su
reacción química incluye al tiempo…
Espero que estos comentarios te sean de utilidad….
Profesor L-IV 1. En las respuestas de tu CoRe, comentas que el avance de reacción está en
la frontera de lo concreto y lo abstracto y que es importante lograr que el alumno
entienda que este concepto hace referencia a toda la reacción y no a un
componente en particular. ¿Qué metodologías didácticas consideras necesario
desarrollar para la comprensión de este hecho?
La solución de problemas es el elemento central para que el alumno asimile
este concepto. El debe, a través de los problemas que se le pida resolver,
comprender el uso correcto de los coeficientes estequiométricos en los
cálculos relacionados con el consumo de reactivos y la producción de los
productos y con la identificación del reactivo limitante. El concepto de
avance de reacción establece una metodología que les debe permitir llevar a
cabo los cálculos en forma unificada y no como una mera receta. Es
necesario que vayan más allá de la regla de tres.
2. Desde tu punto de vista, ¿qué es lo que los alumnos de licenciatura no
deben dejar de saber sobre la constante de equilibrio (Keq) y qué herramientas
didácticas utilizas para propiciar en ellos la construcción de esta(s) idea(s)?
El valor numérico de la constante de equilibrio conlleva el avance de la
reacción que se puede llevar a cabo. Mientras más grande sea su valor una
cantidad mayor de los reactivos se transformará a productos.
La constante de equilibrio es solo función de la temperatura. No depende de
la composición de la mezcla ni de la presión.
La dependencia con la temperatura tiene que ver con el calor de reacción
(reacciones exotérmicas y endotérmicas)
Establece la relación que deben guardar los reactivos y los productos en el
equilibrio.
La estrategia didáctica debe estar basada en la solución de problemas.
Escoger ejemplos que ilustren los conceptos es fundamental. Algunos
problemas se deben resolver en clase y otros como tarea. La solución de
problemas en los exámenes es la mejor manera de evaluar el aprendizaje.
3. ¿Qué tan pertinente y útil consideras al Principio de Le Châtelier en la
enseñanza del equilibrio químico?
Es importante que el alumno comprenda la influencia de las variables en el
equilibrio químico, sobre todo en lo relacionado con la conversión de
reactivos a productos. A) Efecto de la temperatura en reacciones
endotérmicas y exotérmicas; B) Efecto de la proporción en que se alimenten
los reactivos; C)Efecto de la presencia de inertes; D) Efecto al retirar
productos del seno de la reacción; D) Efecto de la presión en reacciones en
fase gaseosa; etc.
4. es una propiedad central para el aprendizaje del
equilibrio químico y los alumnos presentan con frecuencia graves deficiencias
matemáticas para comprenderlo y manejarlo. Desde tu punto de vista, ¿cuál debe
ser el significado físico, que los alumnos deben construir, sobre este concepto,
que les permita comprender de mejor manera el equilibrio químico?
Para lograr un primer atisbo al significado físico del potencial químico, lo
que hago es establecer el simil con la temperatura como potencial térmico.
De esta manera, si el potencial químico de los reactivos es mayor que el de
los productos, entonces la reacción procederá de reactivos a productos. En
el equilibrio se igualan los potenciales químicos de productos y reactivos.
También hay que recordar que el potencial químico lo vieron en el tema de
equilibrio de fases. En este sentido, un componente se transfiere de la fase
donde su potencial químico es mayor al de la fase donde es menor. En el
equilibrio son iguales.
5. De qué manera planteas a los alumnos la condición de equilibrio de una
reacción química determinada? ¿Lo haces mediante los potenciales químicos de
reactivos y productos? ¿Si o no y por qué?
Hago una deducción teórica que lleva a la ecuación de equilibrio basada en
igualdad de potenciales químicos entre productos y reactivos. Esta
deducción parte del criterio de equilibrio basado en la minimización de la
energía de Gibbs. Esta ecuación no es la ecuación con que trabajamos en la
solución de problemas. En seguida, mediante una ecuación que liga al
potencial químico con las variables como temperatura presión y
composición, encontramos la ecuación de equilibrio en términos de la
constante de equilibrio y de fugacidades de reactivos y productos. La
ecuación del potencial químico ya se vio en el tema de equilibrio de fases.
De esta manera queda claro como se puede calcular la constante de
equilibrio a partir de las energías de Gibbs de formación de productos y
reactivos. Esta ecuación es la ecuación de trabajo. Nos sirve para resolver
cualquier problema de equilibrio, ya sea en fase gaseosa o líquida, en gases
ideales o reales, en soluciones líquidas ideales o reales, para reacciones en
una sola fase o con presencia de varias fases (gas-sólido, líquido-vapor,
líquido-sólido), todos con una sola ecuación. Se necesita, por supuesto, que
se sepa como calcular fugacidades.
6. En el bachillerato y en el curso de Química General, los alumnos estudian el
tema de equilibrio químico en el marco de la cinética química. ¿Cómo manejas la
transición didáctica del campo de la cinética al campo de la termodinámica en tus
clases de Equilibrio y Cinética?
Yo nunca he dado el curso de Equilibrio y Cinética.
En cinética química he visto con frecuencia que relacionan a la constante de
equilibrio químico con el cociente de las constantes de rapidez de las
reacciones en ambos sentidos. Esta manera creo que puede resultar
atractiva con fines didácticos para fijar conceptos, pero no como un
instrumento de cálculo.
6. ANÁLISIS y CONCLUSIONES
Los datos fueron analizados con el programa Atlas Ti, las categorías de análisis que se eligieron están relacionadas con las preguntas de los CoRe’s. Los resultados generales para los maestros de bachillerato y licenciaturase encuentran en los cuadros 6.1 y 6.2 respectivamente.
Con el fin de organizar la información recabada y enriquecer el análisis de los datos obtenidos en los CoRe’s de los profesores, se decidió identificar dimensiones de análisis con base en las cuales observar, indagar, describir y discutir las diferentes formas en las que los docentes participantes de este estudio, conceptualizan la enseñanza aprendizaje del equilibrio químico.
I. Conceptualización versus Matematización: en general, los docentes del bachillerato ponen mayor énfasis en la conceptualización del concepto que en la construcción matemática del mismo. Los docentes de licenciatura, en general, están más preocupados por la matematización del concepto en un ámbito de cierta abstracción.
II. Formalismo versus Contextualización: En general, los docentes de bachillerato incluyen más referencias a la relevancia del concepto de equilibrio en sistemas de interés general, mientras los docentes de licenciatura no hacen referencias explícitas en esta área.
III. Macroscópico versus Submicroscópico: En general, la mayoría de los docentes, con la excepción de del profesor con clave B-IV, enfatizan una comprensión a nivel macroscópico sin referencia explícita a modelos corpusculares de la materia.
IV. Segmentación versus Conectividad: En general, los docentes de bachillerato presentan una visión más segmentada del tema y, de hecho, identifican tres segmentos principales: 1. Qué es el equilibrio 2. Cómo se calcula la constante de equilibrio. 3. Cómo se predicen cambios en el estado de equilibrio. Los docentes de licenciatura, en cambio, presentan una secuencia de ideas más relacionadas, pero con un alto nivel de abstracción y matematización).
V. Concepciones Alternativas versus Abstracción versus Análisis de Contenido: El área que nos pareció de mayor interés tiene que ver con la manera en cómo los docentes resaltan las dificultades de aprendizaje. Los docentes de bachillerato tienden a enfatizar concepciones alternativas de manera específica mientras que los docentes de licenciatura enfatizan dificultades en “abstracción” de manera más general: el tema es difícil porque es abstracto. En el caso particular del profesor con clave L-IV, su análisis es diferente en el sentido que describe dificultades más específicas en la comprensión de contenidos específicos.
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